【材料】利用动态复合水凝胶中的液体行为构建多维度双折射材料

来源：X一MOL资讯

水凝胶可由亲水的聚合物链在水中交联产生，其结构被交联的聚合物网络所稳定，同时包含大量的水。因此，水凝胶常常表现出明显的粘弹性特点。换言之，这种材料既可以表现出固体材料的弹性行为，也能展现出液体的塑性行为。水凝胶具有高含水量和易于设计的微观结构，广泛应用于生物医学工程和柔性电子器件等领域。然而，动态水凝胶中的液体行为却缺少足够的研究，同时限制了其更广泛、有效的应用。

最近，德国哥廷根大学的Kai Zhang教授领导的研究小组充分利用动态复合水凝胶的粘弹性，成功将流动液体的特性与静止液体的特性结合在一起，制造了形状和微观取向可调控的双折射材料。

图1.（a）动态复合水凝胶的组成；（b）纤维素纳米微晶在动态水凝胶中的取向

在剪切力或轴向拉伸的牵引下，由硼酸酯键（boronate ester bond）交联的动态水凝胶表现出剪切变稀的现象，并驱动其中纤维素纳米微晶（CNC）的流体力学取向（hydrodynamic alignment）。然而在外力撤销后，由于纤维素纳米微晶的触变性，其取向结构被保存在快速松弛的水凝胶网络中，从而留下流动液体的“足迹”。接下来通过静置干燥，伸长的水凝胶转变成干凝胶（xerogel），在此过程中，水凝胶表面张力则进一步增进了纤维素纳米微晶的取向，因此在交叉的偏振片间展现出彩虹状的干涉色。

图2.（a）在水凝胶的拉伸和干燥过程中可观察到的干涉色；（b）纤维素纳米微晶的取向原理

不同于一般的流体力学取向过程，在动态水凝胶中，纤维素纳米微晶的取向不需要收敛的流动通道，而是直接被水凝胶收敛的边界所限制。因此，所得到的干凝胶不仅表现出可调控的双折射现象，其几何形状也可以进一步编辑：如形成不同截面形状的纤维、薄膜，甚至扭转的弹簧结构。此外，在表面张力的驱动下，拉伸干燥的管状干凝胶可以形成向内凹陷的环状曲面。迄今为止，这是第一种可以构建的中空类悬链曲面（pseudo catenoid），并形成各向异性微观结构的方法。

图3.（a）不同宽厚比的干凝胶薄膜；（b）不同截面的干凝胶纤维；（c）由管状水凝胶形成的类悬链曲面

该研究表明，通过充分运用动态复合水凝胶中的液体行为，动态液体和静态液体的特性可以在同一材料的成型制备中得以体现。同时借助水凝胶自身的边界，这些液体特性可以拓展到无需模具支撑的三维复杂结构中。相关成果发表在ACS Nano上，论文第一作者为Heqin Huang博士，通讯作者为Kai Zhang。