武汉大学刘抗研究员课题组：水凝胶智能蒸发的微观机理

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随着可穿戴和植入设备的快速发展，水凝胶逐渐成为柔性电子产品、人造皮肤和能量转换领域重要的材料基础。与在生物医学领域的应用不同，水凝胶在柔性电子和器件上的应用是在环境条件下，而不是在水或溶液中，因此水凝胶自身失水是其亟待解决的重要问题，理解水凝胶内水分蒸发的微观机理尤其重要。

针对上述问题，武汉大学刘抗研究员团队研究了一系列水凝胶材料的蒸发特性，发现大部分水凝胶蒸发特性与水类似，如PAAM、PVA水凝胶，在空气中会完全失水(图1)。但有些水凝胶在环境条件下不会完全失去内部水分，会自发抵抗蒸发过程。而且在环境湿度升高时又会吸收空气中的水分回到初始状态，具备智能调节水分传输的功能，比如pHEMA水凝胶。而且该现象高度可重复，如图2所示。由于水凝胶表面的蒸发和水分吸收是一个扩散限制过程（图2c），也就是说，有些水凝胶（比如pHEMA）在其水分蒸发过程中能够自发调节自身饱和蒸气压来实现低湿度下不持续失水、高湿度下从空气吸水回复初始状态。

图1. 不同水凝胶的蒸发特性

图2. 水凝胶表面的饱和蒸气压变化

为了厘清水凝胶调控自身饱和蒸气压的微观机制，该团队利用分子动力学模拟研究了水凝胶蒸发过程中聚合物网络和水之间的相互作用变化。如图3所示，模拟显示水凝胶内部水分在蒸发过程中会逐渐被拉伸，同时压力持续下降，最低可达到-140MPa (图3g)。根据开尔文方程，这一负压会显著降低水分的饱和蒸气压。通过模拟与开尔文方程计算得到的水凝胶表面蒸气压与实验结果趋势一致（图2d），证明了pHEMA此类水凝胶蒸发过程中的饱和蒸气压调控行为与水凝胶内部的绝对负压有关。

图3. 蒸发过程中pHEMA水凝胶内部水的状态变化

通过上述分析，他们建立水凝胶蒸发的微观机理模型(图4)：蒸发过程中，水凝胶内部水分的减少会导致水分子与聚合物链的相互作用变强，水凝胶作为一个多孔弹性体，相互作用变强会使其体积收缩。但当水凝胶具有一定的机械强度，而水凝胶体积收缩明显小于水的蒸发量时，水凝胶中的水被拉伸产生负压。负压降低水凝胶的表面蒸气压，抑制蒸发。当环境湿度升高时，低表面蒸气压使得水凝胶重新吸水，直至与新的环境湿度平衡。

图4. 水凝胶智能蒸发的微观机理示意图

从上述机理可以看出，水凝胶自身的机械强度会显著地影响其蒸汽压调控能力，因此该团队进一步测试了多种不同聚合物链、不同聚合方式、不同官能团的水凝胶杨氏模量和蒸汽压调控能力的关系。如图5所示，在相同的含水比例下，这些水凝胶的蒸气压调控能力与杨氏模量呈现出极强的相关性，杨氏模量越高的水凝胶，蒸气压调节能力越强，受聚合方式以及聚合物自身官能团等因素影响较小。

图5 水凝胶蒸气压调控能力与其杨氏模量的关系

以上相关成果以“Polymer-water Interaction Enabled Intelligent Moisture Regulation in Hydrogels”为题发表在Journal of Physical Chemistry Letters (J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 2587–2592)上。武汉大学刘禹希和刘晓威为论文共同第一作者，刘抗研究员为论文通讯作者。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.1c00034

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