网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

龚剑萍教授,最新Science子刊:加热快慢,决定水凝胶的两种“锁定”命运!

0
分享至

传统刺激响应水凝胶的热行为常被放在热力学平衡框架下理解,但“拥挤”水凝胶含有大量可逆缔合键,平衡水含量低,快速热刺激下热传导与聚合物网络协同扩散之间存在速率失配,会进入非平衡状态。水在其中既提供分相驱动力,又作为增塑剂调节链段迁移性,脱水提高玻璃化转变温度后还可能动力学“锁定”结构。关键挑战在于:网络弹性如何约束分相、如何与玻璃化耦合,以及等压与等容两条路径如何分岔并形成不同的非平衡相图,此前尚缺乏系统研究。

北海道大学龚剑萍教授、Takayuki Nonoyama教授合作,以PAAc-CaAc₂水凝胶为对象,沿准静态等压路径(路径A)和快速准等容路径(路径B)考察热转变。路径A中凝胶均匀收缩,通过全局玻璃化在Thard硬化;路径B中凝胶在Tdem触发受限微相分离,随后通过局部玻璃化在ThardPS硬化。研究证明Tdem由机械-热力学竞争控制:触发分相的内部压力Pc随永久网络剪切模量Gx线性增长,Pc/Gx≈100;Thard与ThardPS是不同硬化点,受弹性约束的局部水含量控制ThardPS。 该框架为编程软物质非平衡命运和“可锁定”性质提供了策略。相关论文以“Kinetic-driven microphase separation and vitrification of crowded hydrogels with associative bonds”为题,发表在Science Advances上。


研究首先合成不同交联密度的PAAc水凝胶,再在醋酸钙溶液中平衡形成拥挤PAAc-CaAc₂凝胶(图1b),并以等温滴定量热测量Ca²⁺与羧酸根的熵驱动缔合(图1c),发现缔合常数随温度升高而增大(图1d)。永久交联提供的剪切模量Gx被用作后续非平衡现象的“调控器”,熵驱动缔合则作为热响应“分子马达”;两条加热路径分别导向均匀玻璃化和受限分相后局部玻璃化(图1a)。


图1 熵驱动的拥挤凝胶系统与实验设计。

路径A采用0.1℃/小时的准静态加热,凝胶保持透明均匀(图2a),体积随缔合常数增加而线性收缩(图2b、2c);50℃以上收缩被动力学冻结。频率扫描流变区分出橡胶态、黏弹态和玻璃态(图2d、2e),并以tan δ特征峰定义Thard约50℃(图2b);调制差示扫描量热给出Tg-cw曲线,与平衡水含量曲线交点给出Thard约53℃(图2f、2g)。结论是:路径A的硬化由失水提高Tg、全局玻璃化控制,残余水仍提供局部增塑;Thard以上储能模量为10⁷至10⁸ Pa,低于完全干燥聚合物玻璃态。


图2 准等压路径的热力学性质与均匀硬化转变。

路径B采用≥1℃/分钟的快速加热维持准等容状态,升温超过临界温度后凝胶变浑浊(图3a、3b),Tdem按95%透射率阈值确定。超小角中子散射显示相分离形成微米至亚微米域,域尺寸基本稳定而数量密度随温度增加,且过程可逆(图3c);临界温度跃变ΔTc随起始温度升高而减小(图3d),计算得Pc/Gx≈100(图3e)。更高温度下由流变tan δ峰定义ThardPS,它高于Thard(图3f);相图表明路径B中总水含量成为独立控制参数,浓相玻璃化可锁定相分离形貌(图3g)。这表明路径B先发生微相分离,再由聚合物浓相的局部玻璃化控制整体软到硬转变。


图3 准等容条件下动力学驱动的受限相分离与热硬化。

通过改变交联密度,研究进一步验证弹性调控:电镜显示分相微结构随Gx变化(图4a),ΔTc和水过饱和比随Gx增加(图4b),Pc随Gx线性增长且Pc/Gx≈100(图4c),孔半径呈RSEM~Gx-0.35标度(图4d);ThardPS随Gx升高,而Thard基本不变(图4e)。这表明稀相域中网络链大幅拉伸产生的“拉伸惩罚”主导分相阻力,网络弹性可选择性移动分相边界和局部冻结温度。

综上,该研究建立了Pc/Gx≈100的特征标度,说明拥挤离子水凝胶的分相阈值受网络弹性根本约束,动态键则保证分相可逆。 通过调节加热速率,材料可在均匀透明收缩态与异质硬化态之间导航;由于ThardPS可由Gx预测调节,可在特定温度“锁定”硬化状态。这为理性设计可锁定软材料提供了新自由度,也为理解自然界的玻璃化热保护机制提供了简化模型。


图4 网络弹性对动力学驱动转变的影响。


特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
笑傲中日对决!孙颖莎4-3送早田希娜绝望22连败,下轮战卫冕冠军

笑傲中日对决!孙颖莎4-3送早田希娜绝望22连败,下轮战卫冕冠军

钉钉陌上花开
2026-10-31 22:47:00
他被称为朴实无华好总理,也是叶剑英大女婿,享年99岁

他被称为朴实无华好总理,也是叶剑英大女婿,享年99岁

贱议你读史
2026-10-31 22:50:04
永不改变!日本防卫大臣在东盟论坛发声:完全以国防为导向政策

永不改变!日本防卫大臣在东盟论坛发声:完全以国防为导向政策

麓谷隐士
2026-11-01 00:05:04
杨聪毅:中方降级赴会背后,菲有人公器私用

杨聪毅:中方降级赴会背后,菲有人公器私用

环球网资讯
2026-10-31 06:34:36
挑战来了!巴西总统卢拉连任不到一周,内阁坚决反对财政措施

挑战来了!巴西总统卢拉连任不到一周,内阁坚决反对财政措施

风流女汉
2026-10-31 16:46:45
G20外长会激烈交锋,各国为合影吵翻,欧洲拒绝同框,俄反将一军

G20外长会激烈交锋,各国为合影吵翻,欧洲拒绝同框,俄反将一军

生活魔术专家
2026-11-01 07:41:00
重庆何贵退休11年后被查:当哲学教授弄丢了“是非题”的答案

重庆何贵退休11年后被查:当哲学教授弄丢了“是非题”的答案

娱乐的宅急便
2026-11-01 03:17:37
比进球功臣还耀眼!阿隆索狂赞切尔西隐形王牌!表现完胜罗杰斯

比进球功臣还耀眼!阿隆索狂赞切尔西隐形王牌!表现完胜罗杰斯

奶盖熊本熊
2026-11-01 08:57:57
朱莉皮特龙凤胎街头被拍,和父母巅峰颜值差距引热议

朱莉皮特龙凤胎街头被拍,和父母巅峰颜值差距引热议

墨薷桃桃
2026-10-29 16:42:51
抓到那么多贪官,查出的赃款到哪去了?最后跟老百姓有关系吗?

抓到那么多贪官,查出的赃款到哪去了?最后跟老百姓有关系吗?

细说职场
2026-10-30 11:38:07
AI泡沫破裂的前夜

AI泡沫破裂的前夜

新浪财经
2026-10-31 14:34:13
为了几百块电池,理想把最信它的那批MEGA车主架在了火上

为了几百块电池,理想把最信它的那批MEGA车主架在了火上

科技Nice
2026-10-30 13:56:28
两性关系:发现了没,寿命长的男人,大多都有这五个好习惯

两性关系:发现了没,寿命长的男人,大多都有这五个好习惯

荔子言
2026-09-08 14:55:50
昂跑未与姆巴佩解约,网友怒了

昂跑未与姆巴佩解约,网友怒了

21世纪经济报道
2026-10-31 03:23:54
最新民调出炉!51%菲律宾人表示:愿接受副总统萨拉弹劾裁决

最新民调出炉!51%菲律宾人表示:愿接受副总统萨拉弹劾裁决

麓谷隐士
2026-11-01 00:20:04
随着曼城0-1,利兹联0-2,桑德兰1-3,英超最新积分榜出炉

随着曼城0-1,利兹联0-2,桑德兰1-3,英超最新积分榜出炉

侧身凌空斩
2026-11-01 01:00:28
阿维塔取消发布会,“内部会议视频”被指演技尴尬,高管回应:确系摆拍

阿维塔取消发布会,“内部会议视频”被指演技尴尬,高管回应:确系摆拍

TechWeb
2026-10-30 10:35:12
身价千万又如何,抗癌一年的魔术师刘谦,如今头发灰白瘦到认不出

身价千万又如何,抗癌一年的魔术师刘谦,如今头发灰白瘦到认不出

老娱记啊
2026-10-31 15:43:42
当众拒唱国歌不认中国籍,把两个孩子全送出国,如今报应终于来了

当众拒唱国歌不认中国籍,把两个孩子全送出国,如今报应终于来了

鹤羽说个事
2026-09-02 16:51:59
A股:不必等突破3600点了,明天,不出意外要这样走了!

A股:不必等突破3600点了,明天,不出意外要这样走了!

财经大拿
2026-11-01 05:10:13
2026-11-01 09:27:00
高分子科学前沿 incentive-icons
高分子科学前沿
高分子领域第一自媒体
17065文章数 66947关注度
往期回顾 全部

科技要闻

苦等两年!国行苹果AI下周开测,12月推出

头条要闻

牛弹琴:东欧大国被指发生"政变"俄躺枪 全世界目瞪口呆

头条要闻

牛弹琴:东欧大国被指发生"政变"俄躺枪 全世界目瞪口呆

体育要闻

决胜时刻三连击!勒布朗绝命补篮价值千金

娱乐要闻

41岁吾恩胃癌七年去世,伴侣也确诊癌

财经要闻

Meta、谷歌、英特尔增发认购者集体浮亏

汽车要闻

好开更好坐 马自达EZ-60激光版补齐最后短板

态度原创

家居
数码
艺术
时尚
手机

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

数码要闻

小米19 Fold明年登场:正常迭代 或首发下一代玄戒芯片

艺术要闻

魏紫熙罕见狠评吴冠中:笔没压下去,只会用笔尖戳戳?一句话引爆画坛争议!

秋天别总穿黑色裤子,这几款半身裙更提气质,舒适轻盈又显瘦

手机要闻

京东双11竞速榜:国产手机集体涨价,打不过老款iPhone?

无障碍浏览 进入关怀版