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阿爾伯塔大學(xué)曾宏波教授團(tuán)隊(duì) ACS Nano: 用于可逆透明光學(xué)開關(guān)的水凝膠涂層
2025-03-04  來源：高分子科技

  在水中膨脹的功能性軟材料常常會出現(xiàn)表面皺褶，這種現(xiàn)象類似于人體皮膚在長時間浸泡后形成的皺紋，通常會導(dǎo)致光學(xué)透射率降低。相反，在水下透明而在空氣中不透明的功能材料卻罕有報(bào)道，盡管后者在智能窗戶、潛望鏡和信息加密等領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。


圖1 具有可逆透明性的PDMS水凝膠涂層的模型示意圖以及微觀/宏觀形貌


  近期，加拿大阿爾伯塔大學(xué)曾宏波教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)田煜教授團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了一種具有可逆透明性的水凝膠涂層。該涂層由聚二甲基硅氧烷（PDMS）上的聚丙烯酰胺層組成，展示了在空氣/干態(tài)條件下不透明與在水或濕潤條件下高度透明之間的可逆轉(zhuǎn)變（圖1）。在吸水膨脹后，水凝膠層的透射率從空氣中的7.8%顯著提高到77.1%，并具有優(yōu)異的重復(fù)性（圖2）。這種行為使得其在光學(xué)加密/解密和水畫本等應(yīng)用中成為可能。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，光學(xué)切換源于水凝膠膨脹時表面粗糙度的降低和折射率的變化。此外，當(dāng)用作智能窗戶時，水凝膠層有效地將太陽能傳輸減少了36%，在陽光直射下實(shí)現(xiàn)了5.09°C的降溫（圖3）；此外，該系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)在陰雨天時保存熱量。這項(xiàng)研究工作為光學(xué)加密、交互式書寫系統(tǒng)和智能窗戶技術(shù)提供了新的發(fā)展思路。該工作以“Hydrogel-Coated Polydimethylsiloxane with Reversible Transparency for Advanced Optical Switching”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。加拿大阿爾伯塔大學(xué)曾宏波教授（加拿大皇家科學(xué)院和工程院兩院院士）為論文通訊作者，博士后劉宸旭為本文第一作者。


圖2 水凝膠層涂覆PDMS與無涂覆PDMS在空氣或水環(huán)境中的光學(xué)特性、模擬分析及應(yīng)用示例


圖3 利用水凝膠層涂覆PDMS作為智能窗戶的實(shí)驗(yàn)裝置測試圖及戶外測試性能結(jié)果


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期在膠體與界面科學(xué)、分子和納米力學(xué)、高分子材料及相關(guān)工程過程中界面現(xiàn)象研究的最新進(jìn)展之一。在過去的幾年中，團(tuán)隊(duì)取得了一系列重要成果：比如開發(fā)了一種具有自修復(fù)和抗生物污染能力的新型可注射水凝膠（Adv. Mater. 2015, 27, 1294）；設(shè)計(jì)了一種由聚乙二醇和支鏈聚乙烯亞胺制備的合成水凝膠材料，兼具應(yīng)變硬化和自修復(fù)能力（ACS Nano 2017, 11, 11074）；通過納米填料增強(qiáng)與膠束交聯(lián)相結(jié)合，開發(fā)了新型水凝膠離子導(dǎo)體（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 24718-24733）；報(bào)告了一種由兩種生物相容性聚合物構(gòu)成的柔性水凝膠，能夠通過生物應(yīng)變強(qiáng)化或自我修復(fù)策略響應(yīng)機(jī)械變形（Chem. Mater. 2020, 32, 24, 10545–10555）；研發(fā)了基于胃環(huán)境適應(yīng)性超分子組裝的可注射自修復(fù)水凝膠，并探索了其在胃穿孔愈合中的應(yīng)用（ACS Nano 2021, 15, 9913）；通過模仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)，開發(fā)了新型組織粘附水凝膠（Chem. Eng. J., 2022, 434, 134418）；將Mfps共軛物結(jié)合到聚乙烯醇基質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)了仿結(jié)締組織結(jié)構(gòu)的各向同性超強(qiáng)韌性水凝膠（Chem. Mater. 2022, 34, 19, 8613–8628）；通過觀察纖毛柱狀上皮的結(jié)構(gòu)與功能，設(shè)計(jì)了新型非對稱式凝膠郵票貼（Chem. Mater. 2023, 35, 13, 4998–5008）；受攀爬帶刺植物“藤刺”結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出兩性離子結(jié)合蛋白，用于復(fù)雜生物流體中的表面涂層和防污應(yīng)用（Adv. Mater. 2023, 35, e2208824）；采用協(xié)同鏈段取向和共價(jià)錨定策略制造超疏油水凝膠涂層（Adv. Funct. Mater. 2024, 34）；并開發(fā)了用于多維度傳感器和可植入電子器件的各向異性纖維素導(dǎo)電水凝膠（Adv. Funct. Mater. 2024, 2416419）。這些成果展示了團(tuán)隊(duì)在水凝膠材料設(shè)計(jì)及界面科學(xué)與應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新與突破。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17403 

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（責(zé)任編輯：xu）
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