《自然·通讯》中国石油大学张丽媛/青科大程浩然：离子触发可重构水凝胶！

水凝胶在水处理、强化采油、生物医用等领域应用广泛，但高盐环境下会因静电屏蔽、聚合物 - 溶剂亲和力降低，出现溶胀受阻、力学性能劣化的问题；现有盐响应水凝胶多仅能维持单一性能稳定，难以实现溶胀与力学性能同步提升，且溶胀与刚度通常呈反向耦合关系，如何让水凝胶在高盐中溶胀同时增强力学性能，是亟待解决的难题。

本研究报道了一种名为DAMPS/ AMSBVI 的双网络水凝胶，与水环境相比，该材料在高盐度条件下能同时显著提升溶胀性能和机械性能。第一层网络由聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)（poly(AMPS)）构成；第二层网络则由丙烯酰胺（AM）及两性离子单体磺基甜菜碱乙烯基咪唑（SBVI）组成。探究盐触发的网络拓扑重构机制，结合 SAXS、XPS、DFT 计算等揭示微观结构与性能关联，通过溶胀、力学、降解及岩心驱替实验验证其高盐适应性与实际应用潜力。

作者先制备第一网络 SAMPS hydrogel，也就是由 AMPS 构成的聚电解质网络。随后将其浸泡在第二网络前驱液中，使 AM、SBVI 和交联剂进入第一网络内部，再通过 UV 固化形成互穿的双网络结构，即 DAMPS/AM-SBVI hydrogel。红外光谱证明，双网络不是简单混合，而是形成了具有离子相互作用的复合网络，为后续盐诱导重构提供了化学基础。此外，作者通过调节网络比例、交联剂浓度和单体含量，使双网络达到“刚性支撑”和“柔性耗能”的平衡。并说明过度交联会让材料变脆，而过低交联又不足以提供有效支撑。单独的 AMPS 网络在盐水中会受到电荷屏蔽，溶胀能力下降；单独的 AM-SBVI 网络虽然有一定抗聚电解质效应，但力学支撑有限。只有将两者构筑成双网络，才能同时获得高溶胀和高模量。

DAMPS/AM- SBVI 的设计与合成

DAMPS/AM-SBVI 在盐水中同时实现了溶胀增强和力学增强。这与传统水凝胶“吸水越多、强度越低”的规律相反。传统水凝胶在高盐中通常因电荷屏蔽而收缩，但该水凝胶在盐水中出现异常溶胀增强。作者将其归因于 SBVI 的抗聚电解质效应和盐诱导的链构象伸展。一般水凝胶吸水越多，聚合物链越稀释，强度越低；但这个体系在盐水中形成了更多可承载的离子桥，因此膨胀后仍能有效传递应力。盐水不仅增加了网络的弹性支撑，也引入了更多动态耗能单元。这些动态连接在变形过程中可以断裂和重组，从而提高材料韧性。与已有文献材料对比，本文材料不是只在单一指标上表现好，而是在“高盐、高溶胀、高强度”三个维度上同时占优。

DAMPS/AM- SBVI 的溶胀行为与力学性能

作者用 SEM、SAXS、FTIR、XPS、DFT 和热力学分析共同证明：盐诱导了网络拓扑结构重构。在水中，网络内部存在较明显的局部聚集和相分离；进入盐水后，原本局部束缚的链段被释放，网络变得更均匀、更开放，这为高溶胀提供了结构基础。SAXS 进一步证明，盐水使网络从局部聚集、相分离状态转向更加均匀和连通的结构。宏观上表现为透明度变化，微观上则对应相分离域减少。FTIR 和 XPS 证明，盐并不是单纯屏蔽电荷，而是改变了 AMPS 和 SBVI 之间的离子结合方式。DFT计算结果从分子层面说明，高盐环境反而促进了 SBVI 与 AMPS 之间更强的离子关联。拓扑参数证明“链内环”转化为“承载桥”.盐水中的性能提升不是因为水凝胶遇到了“更好的溶剂”，而是因为无效的链内环减少了，有效的跨网络桥增多了。

DAMPS/AM- SBVI 在盐溶液中的微观结构分析及其作用机制

盐水中的性能提升不是因为水凝胶遇到了“更好的溶剂”，而是因为无效的链内环减少了，有效的跨网络桥增多了。降解实验显示，80℃纯水中凝胶 7 天内几乎完全降解，盐水环境下 60 天仍保留超 5% 质量，盐抑制水解、延长寿命；温度梯度实验表明，80℃降解最快，50℃速率显著降低，降解具有热加速特性;流变监测显示，80℃地层盐水中 30 天内储能、损耗模量逐步下降，但始终保持 G'>G''，维持固态特性；不同温度降解 7 天后，模量随温度升高降低，仍具备一定力学强度； 实物图展示凝胶从完整状态逐步碎片化、溶解的降解过程；岩心驱替装置模拟高渗透裂缝地层；驱替数据显示，凝胶注入后压力升至 4.4MPa，渗透率降至 0.962mD，封堵效率 99.2%，二次水驱提高采收率至 61.1%，降解后渗透率恢复至 40.2mD，岩心损伤率 66.7%，兼具高效封堵与低损伤特性。

岩心注水封堵效应与岩心损伤性能。

总之，本文设计了一种盐触发拓扑重构的 DAMPS/AM-SBVI 双网络水凝胶，实现了高盐环境中溶胀性能与力学强度的同步提升。其核心机制在于，盐离子诱导 SBVI 链内离子对打开，并与 AMPS 网络形成可逆的网络间离子桥，从而将无效链内环转化为有效承载连接。作者进一步通过结构表征、DFT 计算和热力学分析，阐明了有效桥密度增加、环分数降低以及关联能稳定化共同驱动性能增强的机制。岩心驱替实验表明，该水凝胶在高盐高温环境中兼具可控降解和高效封堵能力，为极端盐环境下自适应水凝胶的设计提供了新的思路。

论文题目：Ion-triggered reconfigurable hydrogels with salt-enhanced mechanical and swelling properties via network topological adaptation

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-73723-8