【科研摘要】

具有優異的機械效能和自愈能力水凝膠的設計引起了廣泛的關注，因為水凝膠的機械效能差且使用壽命短，因此在許多領域的應用受到限制。最近，西南石油大學武元鵬教授/蘇州大學張濤博士/四川大學Zhanhua Wang等研究團隊合作設計和製造了一種新型的可分級交聯的水凝膠，該水凝膠由聚乙烯醇-硼砂（PVA/硼砂）水凝膠和聚（1-烯丙基-2-硫脲-co-丙烯醯胺）（P（ATU-co-AM）），其中將P（ATU-co-AM）互穿到PVA/硼砂網路中，形成半互穿網路（semi-IPN）。由冷凍-解凍過程產生的PVA晶域充當半IPN接面構中的第二交聯點，從而進一步增強了水凝膠的機械效能。所獲得的水凝膠顯示出優異的機械效能（抗張強度為3.6 MPa），快速的自愈過程（10分鐘），高癒合效率（超過90％），敏捷的pH驅動的形狀記憶行為（在260 s內恢復）和Ca2+-驅動形狀記憶行為，這歸因於動態硼酸鹽鍵，PVA和P（ATU-co-AM）鏈的豐富氫鍵以及透過解凍迴圈而形成的PVA結晶所賦予的可逆骨架。利用這些出色的效能並受含羞草彎曲行為的啟發，以一個軟捕集器致動器為例來說明這種水凝膠的實際應用，該水凝膠可以在Ca2+溶液中捕獲塑膠魚。由於具有自我修復效能，可以透過組裝不同的雙層水凝膠來製造結構複雜且形狀記憶效能優異的執行器。這項研究為製備堅固的水凝膠而又不犧牲其自愈能力和機械效能提供了一種新穎的策略，有望促進穩健的自愈水凝膠的研究。相關論文Hierarchically reversible crosslinking polymeric hydrogels with highly efficient self-healing, robust mechanical property, double-driven shape memory behavior發表在《J. Mater. Chem. A》上。

示意圖1製備（a）PVA /硼砂水凝膠；（b）共聚物（P（ATU-co-AM））；（c）SxCy水凝膠。

圖1（a）P（ATU-co-AM）的紅外光譜圖 （b）波數在4000至500 cm-1之間的PVA/P（ATU-co-AM）；（c）在1800至800 cm-1的波數中PVA/P（ATU-co-AM）的放大光譜。

圖2（a）具有分層多孔結構的PVA /硼砂水凝膠（箭頭顯示二級孔隙），（b）凍融迴圈的PVA /硼砂水凝膠，（c）S1.0C0-水凝膠和（d）S1.0C3-水凝膠。

圖3：（a）經受不同凍融迴圈的S1.0Cy水凝膠的應力-應變曲線。（b）文獻中報道的各種高強度和自修覆水凝膠的拉伸強度與自修復時間表；（c）SOCy水凝膠的X射線衍射圖；（d）S1.0C3-水凝膠的圖片為（i）打結，（ii）扭曲，（iii）彎曲和（iv）以50 g的重量拉伸。

示意圖2 SxCy水凝膠的自愈過程示意圖。

圖4（a）將樣品切成兩半的數碼照片（右部分用羅丹明B染色）；（b）將兩半放在一起；（c）自愈10分鐘後，自愈水凝膠的重量為200克；（d）可以拉伸自愈樣品。（e）原始和自修復的S1Cy水凝膠的拉伸應力和自修復效率。

圖5 S1.0C3-水凝膠的照片，顯示了形狀記憶行為：在HCl溶液中從暫時形狀過渡到其原始形狀（a）“ T”形；（b）“ S”形；（c）“ W”形；（d）三維“螺旋”形狀。

圖6（a）為雙層水凝膠的驅動機理示意圖。（b）浸入Ca2+溶液中的雙層水凝膠的驅動過程；（c）具有圖案化PVA/P（ATU-co-AM）層的矩形平面PVA水凝膠片的致動過程；（d）具有圖案化PVA/P（ATU-co-AM）層的三角形平面PVA水凝膠片的致動過程；（e）一個軟捕手，由雙層水凝膠組成，它們在Ca2+溶液中捕獲了塑膠魚；（d）PVA/硼砂水凝膠層的溶脹機理；（e）PVA/ P（ATU-co-AM）水凝膠層的收縮機理。

圖7（a）是自愈雙層水凝膠致動器和Ca2+驅動的雙層雜化水凝膠引起的相反方向彎曲過程的示意圖。（b）自愈S1.0C3水凝膠的形狀記憶效應。

參考文獻：doi.org/10.1039/D0TA10850B