水凝膠是一種(zhǒng)結構非常獨特的材料，擁有特定的形狀和一定的彈性，具有明顯的固體性質；但材料内部卻含有大量的水，含水量最高可以達到90%以上。這(zhè)種(zhǒng)結構特點和生物細胞非常相近，因此水凝膠多年來一直吸引著(zhe)大量研究人員的關注。然而，事(shì)物通常具有兩(liǎng)面(miàn)性，高水含量有益于水凝膠在生物醫學(xué)領域中的應用，同時也限制了它在低溫條件下的使用，因爲水凝膠在零度以下會凍結，進(jìn)而失去其優異的性能(néng)，包括電導率、透明度、柔韌性等，這(zhè)一缺點阻止了水凝膠在現實生活中應用，比如用于柔性電子産品和傳感器。因此，設計防凍水凝膠有助于拓展水凝膠的應用範圍。自然界中有很多動物，盡管它們體内含有大量的體液，但仍然可以在極寒條件下活動或生存。這(zhè)種(zhǒng)耐低溫的能(néng)力通常來自于動物體内分泌的“防凍劑”。向(xiàng)自然界學(xué)習，制備防凍水凝膠材料及器件，具有重要的科學(xué)意義和應用前景。

　　中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所陳濤研究員、張佳玮研究員和深圳大學(xué)教授周學(xué)昌基于其長(cháng)期在防凍水凝膠方面(miàn)的研究基礎，近期在Materials Horizons上發(fā)表了題爲“Biomimetic anti-freezing polymeric hydrogels: keeping soft-wet materials active in cold environment”的綜述（10.1039/D0MH01029D）。

　　根據先前的理論研究，水凝膠中的水分子存在三種(zhǒng)不同的狀态：能(néng)夠自由移動的“自由水”、與高分子網絡有較弱作用力的“弱結合水”和與高分子網絡有較強作用力的“強結合水”。這(zhè)三種(zhǒng)不同狀态的水分子具有完全不同的凍結溫度，其中“自由水”含量最高，也最容易結冰；而“強結合水”則具有非常低的凝固點。這(zhè)爲制備耐低溫的水凝膠提供了理論指導：改變“自由水”的成(chéng)份來降低其凝固點，或調節水與高分子網絡的相互作用來降低“自由水”的比例。基于改變“自由水”的成(chéng)份，可以在溶劑中添加可溶性的鹽或醇類，或者直接將(jiāng)水替換爲醇或離子液體；基于調節水與高分子網絡的相互作用，可以通過(guò)設計功能(néng)單體，引入更多與水有強相互作用的基團。

　　雖然不同的制備方法都(dōu)可以得到耐低溫的水凝膠，但不同的制備方法具有不同的優缺點：鹽的添加能(néng)給水凝膠帶來良好(hǎo)的導電性，但在幹燥條件下水分會蒸發(fā)，影響水凝膠性能(néng)的穩定性。醇或離子液體的置換可以大幅提高水凝膠的抗蒸發(fā)性能(néng)，但是這(zhè)些溶劑容易洩漏，且通常具有一定的毒性，因此不能(néng)用于直接與生物體或水體環境接觸的場景中。對(duì)高分子網絡進(jìn)行改性可以克服耐低溫功能(néng)組分容易流失的缺點，實現水凝膠材料長(cháng)期穩定的應用，但這(zhè)種(zhǒng)方法的防凍能(néng)力通常不會很強。盡管已經(jīng)有一些耐低溫水凝膠的報道(dào)，但目前防凍水凝膠的設計制備仍相對(duì)簡單，研究人員應更加緻力于研究防凍水凝膠的機理和新的合成(chéng)策略。

　　現有的一些研究工作將(jiāng)耐低溫水凝膠用于仿生緻動器和軟體機器人、物理或化學(xué)傳感器、電池或電解質等領域，需要注意的是，這(zhè)些水凝膠基器件的功能(néng)可能(néng)會受到新加入耐低溫功能(néng)組分的影響，因此設計器件時需要選用合适的方法，在實現防凍的同時避免對(duì)原有功能(néng)的影響。此外，目前的防凍水凝膠體系功能(néng)還(hái)比較單一，通常隻能(néng)實現一項功能(néng)，例如刺激響應緻動或對(duì)機械變形的感應等，研究人員設想未來防凍水凝膠能(néng)夠變得更加智能(néng)，在各個領域得到出色應用。

　　這(zhè)項工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青促會、深圳市科技基金、中科院前沿科學(xué)重點研究項目和王寬誠教育基金會等項目的支持。

防凍水凝膠的一般合成(chéng)策略和主要應用領域

（高分子實驗室 簡钰坤）