水凝胶，《Science》子刊！

水凝胶是一种非凡的软物质系统，可作为丰富多物理现象的实验室，应用范围从生物相容性传感器到软机器人。近日，西安交通大学刘子顺教授团队报告了一项特殊的实验观察结果，表明在脱水过程中水凝胶会同时变硬和软化。基于 Flory 工作的理论未能捕捉到我们实验中观察到的机械行为随含水量的变化。我们进行了粗粒度的分子动力学模拟，以阐明支持脱水过程中奇怪的软化-硬化行为的机制，并提出了一个理论模型来正确表示基础物理学和与基于 Flory 的理论的分歧。

图 1. 脱水和肿胀过程中同时发生的硬化和软化。含水量的变化会同时引起水凝胶微观结构变化的几个方面，包括氢键抑制、物理抑制和网络松弛。约束导致水凝胶的机械硬化效应，而网络松弛使水凝胶更柔软。通过适当控制这种并发的硬化和软化现象，可以促进水凝胶在许多技术中的应用。

将这种方法应用于软机器人、自组装以及解释聚合物物理和植物形态进化的基本机制方面的现有问题的机会是巨大的。这里的第一个例子是功能柔性结构的四维打印。通过在印迹结构的特定位置打印不同初始水含量的聚合物凝胶，可以在依赖时间的刺激(脱水或水合)后获得其他复杂的结构。印刷结构的这种形态转变或自组装是通过不同区域之间的刚度差异和膨胀失配来实现的。预计在对环境刺激做出反应的智能执行器和机器人领域将产生进一步的兴趣。科研人员展示了在可以执行抓取和扭转动作的水下手臂中的应用。通过制造更详细的结构，能够实现更复杂的功能，如设计人造鱼和灵活的机器人，制造意大利面，以及模拟植物的生长。

图 2. PAAM 水凝胶的机械响应。(A) 硬态和 (B) 软态的 PAAM 水凝胶。(C) 脱水引起的硬化效应。制得的含水量均为75%。随着溶剂的损失，水凝胶的杨氏模量呈指数增长。(D) 脱水引起的软化效果。虽然测试时的含水量都是75%，但如果水凝胶经过脱水过程，含水量会更高，水凝胶会更柔软。(E) 具有不同制备和测试含水量的 PAAM 水凝胶的杨氏模量。红色、绿色和蓝色球体分别代表水凝胶在脱水状态、制备状态和水合状态下进行测试。球体大小代表杨氏模量的大小。

这种方法的另一个意义在于揭示了原子级链相互作用模式的本质以及在聚合物和聚合物凝胶中它们之间所起的溶剂的作用。它也可用于聚合物材料的设计。

图 6.脱水引起的软化。(A) 聚合物分子在两种含水量均为53%的水凝胶中的扩散系数和扩散半径。但一个是准备好的，而另一个是脱水的，水分含量为 74%。(B) 这两种水凝胶的配置草图。蓝点代表聚合物链之间的纠缠和约束。(C) 不同理论模型和实验之间单轴拉伸结果的比较。(D) 我们的模型和实验结果。测试含水量均为75%，而与配制的含水量不同。

封面来源：图虫创意