快速pH响应性水凝胶在驱动、传感和分离等多领域中具有很高的实用价值。传统pH响应性水凝胶通常是具有较差的物理强度和韧性，而通过化学交联法制备的水凝胶在pH响应速率和可逆性方面表现不佳。近年来，研究人员将互穿网络、拓扑结构或多功能纳米材料等引入pH水凝胶结构，制备了多种具有良好pH响应性及力学性能的水凝胶。但大多需要昂贵的原料或繁琐的制备过程。至今，制备低成本、高性能的pH响应性水凝胶仍是一大挑战。实际上，木质素作为自然界中最丰富的可再生芳香聚合物，不仅成本低廉而且在酸碱环境中会发生质子化和离子化作用。长久以来，制浆造纸工业正是利用这一独特的pH响应性实现了木质素的脱除和纤维素的提取。
基于此，天津科技大学戴林副教授等人在《Chemistry of Materials》上发表了题为“All-lignin-based hydrogel with fast pH-stimuli-responsiveness formechanical switching and actuation”的研究论文，报道了一种新型、快速pH响应性木质素水凝胶。该木质素水凝胶在酸/碱溶液中表现出快速、多次、可逆的硬/软、弯曲/恢复行为变化，其弯曲/恢复速率分别高达8.0°/s和6.5°/s。其断裂应力/应变可由18.0kPa/17.4%（pH 14.0）提升至36.0 kPa/29.4%（pH 1.0）。利用这些特性，研究成功设计制备了pH响应钩取装置和流体开关装置。这种低成本、快速pH响应性木质素水凝胶不仅为智能材料的开发提供了一个独特的材料平台，也为木质素基材料开辟了新的应用领域。研究采用的是十分简单、可控的碱性开环合成工艺，以最常见的工业硫酸盐木质素为原料、低分子量聚乙二醇二缩水甘油醚作为交联剂制得木质素水凝胶。反应所用的氢氧化钾碱性反应体系起到溶解木质素和促进开环反应的双重作用。图2显示了该木质素水凝胶在酸/碱溶液中弯曲/恢复行为。制备成条形片状的木质素水凝胶在0.1 M HCl溶液中仅需27s即可弯至216°，随后浸泡至0.1 MKOH溶液中30s后可恢复形变（<20°）。该过程可重复多次（>10次）。与其他相关研究相比，该木质素水凝胶具有出色的pH响应弯曲速率（8.0°/s）及形变恢复速率（6.5°/s）。图3显示了该木质素水凝胶的驱动性能。木质素水凝胶首先被制成条形片状用于pH响应钩取装置。条形木质素水凝胶在0.1 M HCl溶液中可以自发弯曲并钩取相当于自重6倍的重物。随后，木质素水凝胶被制成方形片状并粘附于Parafilm® M圆形膜上，与过滤器组装成流体阀门装置，显示出良好的pH响应开关功能。图3.木质素水凝胶制成的pH响应钩取装置和流体开关装置图4显示了该木质素水凝胶在酸碱环境下的含水量、微观形貌及力学性质。随环境pH值降低（14.0至1.0），该木质素凝胶含水量由92%降至49%，断裂应力由18.0 kPa增至36.0 kPa，断裂应变由17.4%增至29.4%。材料截面微观结构显示，碱性环境下木质素水凝胶具有疏松的大孔结构，而在酸性环境下水凝胶收缩明显，表现出致密的网络及较小的孔隙结构。这是由于酸性环境使木质素分子上羧基发生质子化作用，促进了木质素分子间的疏水相互作用，从而形成物理交联。水凝胶再次进入碱性环境中后，羧基会再次发生离子化作用，恢复柔软的木质素网络结构。图4.木质素水凝胶在不同pH环境下的含水量、微观形貌及力学性质研究发现，该木质素水凝胶仅发生单侧弯曲，此现象可能是由水凝胶内部径向应力所致。为了验证这一想法，研究将木质素/聚乙二醇二缩水甘油醚悬浮液倒入Parafilm®M膜上进行成型，通过检测Parafilm® M膜间接表征该木质素水凝胶各处的弹性势能。直观显示的水凝胶弹性势能变化趋势与实际形变基本相符。这表明，通过合理的设计及成形方法，这种廉价、绿色的木质素水凝胶有望实现更多的智能应用。综上所述，作者报道了一种低成本、制备工艺简单且具有快速pH响应性的木质素水凝胶材料。通过简单的酸碱溶液交替浸泡，该木质素水凝胶可以表现出快速、多次、可逆的硬/软、弯曲/恢复行为变化。利用这些特性，研究实现了pH响应钩取行为及流量控制。这种低成本、快速pH响应性木质素水凝胶不仅为智能材料的开发提供了一个独特的材料平台，也为木质素基材料开辟了新的应用领域。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c01198材料化学快讯建立了“二维材料”、“水凝胶”、“光/电催化”、“自组装”、“纳米发电机”、“MOF/COF”、“粘合剂”、“肿瘤免疫治疗”等交流群，添加小编为好友（微信号：Damon_yazi，请备注：名字-单位-职称-研究方向），邀请入群。