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《自然·通讯》中国石油大学张丽媛/青科大程浩然:离子触发可重构水凝胶!

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水凝胶在水处理、强化采油、生物医用等领域应用广泛,但高盐环境下会因静电屏蔽、聚合物 - 溶剂亲和力降低,出现溶胀受阻、力学性能劣化的问题;现有盐响应水凝胶多仅能维持单一性能稳定,难以实现溶胀与力学性能同步提升,且溶胀与刚度通常呈反向耦合关系,如何让水凝胶在高盐中溶胀同时增强力学性能,是亟待解决的难题。

本研究报道了一种名为DAMPS/ AMSBVI 的双网络水凝胶,与水环境相比,该材料在高盐度条件下能同时显著提升溶胀性能和机械性能。第一层网络由聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)(poly(AMPS))构成;第二层网络则由丙烯酰胺(AM)及两性离子单体磺基甜菜碱乙烯基咪唑(SBVI)组成。探究盐触发的网络拓扑重构机制,结合 SAXS、XPS、DFT 计算等揭示微观结构与性能关联,通过溶胀、力学、降解及岩心驱替实验验证其高盐适应性与实际应用潜力。

作者先制备第一网络 SAMPS hydrogel,也就是由 AMPS 构成的聚电解质网络。随后将其浸泡在第二网络前驱液中,使 AM、SBVI 和交联剂进入第一网络内部,再通过 UV 固化形成互穿的双网络结构,即 DAMPS/AM-SBVI hydrogel。红外光谱证明,双网络不是简单混合,而是形成了具有离子相互作用的复合网络,为后续盐诱导重构提供了化学基础。此外,作者通过调节网络比例、交联剂浓度和单体含量,使双网络达到“刚性支撑”和“柔性耗能”的平衡。并说明过度交联会让材料变脆,而过低交联又不足以提供有效支撑。单独的 AMPS 网络在盐水中会受到电荷屏蔽,溶胀能力下降;单独的 AM-SBVI 网络虽然有一定抗聚电解质效应,但力学支撑有限。只有将两者构筑成双网络,才能同时获得高溶胀和高模量。


DAMPS/AM- SBVI 的设计与合成

DAMPS/AM-SBVI 在盐水中同时实现了溶胀增强和力学增强。这与传统水凝胶“吸水越多、强度越低”的规律相反。传统水凝胶在高盐中通常因电荷屏蔽而收缩,但该水凝胶在盐水中出现异常溶胀增强。作者将其归因于 SBVI 的抗聚电解质效应和盐诱导的链构象伸展。一般水凝胶吸水越多,聚合物链越稀释,强度越低;但这个体系在盐水中形成了更多可承载的离子桥,因此膨胀后仍能有效传递应力。盐水不仅增加了网络的弹性支撑,也引入了更多动态耗能单元。这些动态连接在变形过程中可以断裂和重组,从而提高材料韧性。与已有文献材料对比,本文材料不是只在单一指标上表现好,而是在“高盐、高溶胀、高强度”三个维度上同时占优。


DAMPS/AM- SBVI 的溶胀行为与力学性能

作者用 SEM、SAXS、FTIR、XPS、DFT 和热力学分析共同证明:盐诱导了网络拓扑结构重构。在水中,网络内部存在较明显的局部聚集和相分离;进入盐水后,原本局部束缚的链段被释放,网络变得更均匀、更开放,这为高溶胀提供了结构基础。SAXS 进一步证明,盐水使网络从局部聚集、相分离状态转向更加均匀和连通的结构。宏观上表现为透明度变化,微观上则对应相分离域减少。FTIR 和 XPS 证明,盐并不是单纯屏蔽电荷,而是改变了 AMPS 和 SBVI 之间的离子结合方式。DFT计算结果从分子层面说明,高盐环境反而促进了 SBVI 与 AMPS 之间更强的离子关联。拓扑参数证明“链内环”转化为“承载桥”.盐水中的性能提升不是因为水凝胶遇到了“更好的溶剂”,而是因为无效的链内环减少了,有效的跨网络桥增多了。


DAMPS/AM- SBVI 在盐溶液中的微观结构分析及其作用机制

盐水中的性能提升不是因为水凝胶遇到了“更好的溶剂”,而是因为无效的链内环减少了,有效的跨网络桥增多了。降解实验显示,80℃纯水中凝胶 7 天内几乎完全降解,盐水环境下 60 天仍保留超 5% 质量,盐抑制水解、延长寿命;温度梯度实验表明,80℃降解最快,50℃速率显著降低,降解具有热加速特性;流变监测显示,80℃地层盐水中 30 天内储能、损耗模量逐步下降,但始终保持 G'>G'',维持固态特性;不同温度降解 7 天后,模量随温度升高降低,仍具备一定力学强度; 实物图展示凝胶从完整状态逐步碎片化、溶解的降解过程;岩心驱替装置模拟高渗透裂缝地层;驱替数据显示,凝胶注入后压力升至 4.4MPa,渗透率降至 0.962mD,封堵效率 99.2%,二次水驱提高采收率至 61.1%,降解后渗透率恢复至 40.2mD,岩心损伤率 66.7%,兼具高效封堵与低损伤特性。


岩心注水封堵效应与岩心损伤性能。

总之,本文设计了一种盐触发拓扑重构的 DAMPS/AM-SBVI 双网络水凝胶,实现了高盐环境中溶胀性能与力学强度的同步提升。其核心机制在于,盐离子诱导 SBVI 链内离子对打开,并与 AMPS 网络形成可逆的网络间离子桥,从而将无效链内环转化为有效承载连接。作者进一步通过结构表征、DFT 计算和热力学分析,阐明了有效桥密度增加、环分数降低以及关联能稳定化共同驱动性能增强的机制。岩心驱替实验表明,该水凝胶在高盐高温环境中兼具可控降解和高效封堵能力,为极端盐环境下自适应水凝胶的设计提供了新的思路。


论文题目:Ion-triggered reconfigurable hydrogels with salt-enhanced mechanical and swelling properties via network topological adaptation

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-026-73723-8

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