科研速递 | 理工学院朱世平和张祺团队在Advanced Functional Materials上发表文章
近日，香港中文大学（深圳）理工学院的朱世平教授、张祺助理教授团队在《Advanced Functional Materials》发表题为“Dramatic and Reversible Water-Induced Stiffening Driven by Phase Separation within Polymer Gels”的文章。
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《Advanced Functional Materials》介绍
《Advanced Functional Materials》是材料科学国际顶级期刊，以发表材料科学各个方面的突破性研究为主，包括纳米技术、化学、物理学和生物学。期刊以其快速公平的同行评审、优质内容和高影响力而著称，使其成为国际材料科学界的首选。《Advanced Functional Materials》的 2021 年影响因子为 18.808，JCR分区Q1。
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研究背景
近年来，具有可变机械性能的响应性聚合物材料因其在软机器人、人造肌肉、智能电子等领域中的应用潜力而得到快速发展。在已有的报道中，响应性聚合物材料可以利用各种刺激来实现可切换的模量变化，而水作为绿色可利用的环境资源，具有储量广泛、无能源成本以及条件温和等特点，在作为刺激源方面具有显著优势。然而，传统的聚合物材料通常会由于水的塑化作用而表现出水致变软的现象，极大地限制了其在高湿度或水系环境中的使用。因此，开发具有遇水变硬的聚合物材料将有利于拓展水响应性聚合物材料的选择和应用，但同时也极具挑战性。
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研究方法
水驱动的相分离是开发水致硬化聚合物材料的关键。该材料通过将离子液体和锂盐引入聚甲基丙烯酸苄基酯 (PBzMA) 网络中制备而成。PBzMA凝胶在干态下透明而柔软，遇水后，其湿态下的透光率有显著变化，并呈现出软硬转变的特征，能够提起重物。此外，在软-硬转变过程中，其体积几乎保持不变，这在实际应用中是非常理想的。随着相对湿度在10%和90%之间反复变化时，聚合物的储能模量和损耗模量均表现出优异的循环性能，表明该凝胶的软-硬转变是完全可逆的（图1）。
图1. PBzMA凝胶遇水前后的软-硬可逆转变
不同湿度下的应力应变曲线直观的反映了凝胶材料力学性能的变化，在75 RH%的临界相对湿度下，PBzMA凝胶的杨氏模量发生突变。当改变凝胶组分后，该材料干湿态下的模量变化表现出不同的响应。离子液体含量越高，模量变化越大;而锂盐含量的增加只引起了轻微下降。同时作者发现模量变化最高可达10⁴倍，远大于玻璃化转变引起的变化（~10²倍），与结晶-熔化过程相当（>10⁴倍）（图2）。
图2. 不同因素对PBzMA凝胶模量变化的影响
聚合物凝胶是吸收了液体分子的三维交联高分子网络，其机械性能主要受化学结构、聚合物含量、分子间/内相互作用等的控制。尽管聚合物含量在相变前后基本保持一致，相分离使得PBzMA凝胶分成两相：浓相和稀相。其中浓相是包含有高密度的由PBzMA链聚集和缠结构成的结构致密相，从而导致凝胶中强烈的聚合物间/聚合物内相互作用及其宏观机械性能的增加（图3）。
图3. 水致硬化的表征、微观结构分析和通用方法
以强相分离为可逆相、三维网络为固定相，该水致硬化凝胶表现出湿度诱导的形状记忆效应，拥有优异的形状固定率和形状回复率，且在多次形状记忆循环期间具有良好的可逆性和抗疲劳性。因此，所设计的聚合物凝胶被证明是形状记忆材料，具有潜在的应用价值。
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研究结论
文章设计了一种前所未有的聚合物凝胶材料，该材料在相分离的基础上表现出显著且可逆的水致硬化现象，这完全不同于因为水增塑作用而导致软化的传统聚合物材料。这种材料在遇水后的杨氏模量表现出很大的变化（最高达10⁴倍），远大于玻璃化转变引起的变化，与结晶-熔化过程相当。此外，在可逆的软-硬转变过程中，其体积几乎保持不变。文章系统研究了不同组分对模量变化的影响，表征了水致变硬过程中的相分离机制，提出并验证了水致硬化的通用方法，最后将这种材料应用于湿度诱导的形状记忆。这项工作为开发水致硬化材料提供了一种有效的方法，并将为水响应聚合物材料的潜在应用铺平道路。
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作者简介
香港中文大学（深圳）朱世平教授和张祺教授为本文通讯作者。
朱世平，加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士、发展中国家科学院院士。浙江大学本科，加拿大 McMaster大学博士。2017年7月入职港中深，任副校长、理工学院讲座教授、深圳先进高分子材料研究院院长。朱教授长期致力于高分子材料工程科学的研究，专长聚合反应工程，研究领域：茂金属催化烯烃聚合、可控自由基聚合、聚合过程建模、及智能高分子材料开发。
张祺，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，校长青年学者。中山大学本科，浙江大学博士，加拿大 McMaster 大学博士后，于2018年3月加入港中深。近年来致力于智能高分子材料、含氟功能聚合物、特种胶黏剂等领域的基础与应用研究。迄今已在Adv. Funct. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、ACS Macro Lett.、Macromolecules等高分子、材料领域国际核心期刊发表学术论文60余篇，获授权发明专利12项，入选2021年度“未来化工学者”。
本文第一作者：明小庆博士
明小庆博士，南开大学本科，香港中文大学博士，师从吴奇院士。2019年加入香港中文大学（深圳）朱世平教授团队从事博士后研究，出站后担任助理研究员。明博士主要研究方向为高分子/离子液体功能及智能材料，在相变离子凝胶、全固态离子弹性体、智能聚合物凝胶等方面取得了一系列创新性研究成果，以第一作者在Adv. Funct. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Macromolecules等本领域权威期刊发表多篇论文，并拥有发明专利2项。