网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

龚剑萍教授,最新Science子刊:加热快慢,决定水凝胶的两种“锁定”命运!

0
分享至

传统刺激响应水凝胶的热行为常被放在热力学平衡框架下理解,但“拥挤”水凝胶含有大量可逆缔合键,平衡水含量低,快速热刺激下热传导与聚合物网络协同扩散之间存在速率失配,会进入非平衡状态。水在其中既提供分相驱动力,又作为增塑剂调节链段迁移性,脱水提高玻璃化转变温度后还可能动力学“锁定”结构。关键挑战在于:网络弹性如何约束分相、如何与玻璃化耦合,以及等压与等容两条路径如何分岔并形成不同的非平衡相图,此前尚缺乏系统研究。

北海道大学龚剑萍教授、Takayuki Nonoyama教授合作,以PAAc-CaAc₂水凝胶为对象,沿准静态等压路径(路径A)和快速准等容路径(路径B)考察热转变。路径A中凝胶均匀收缩,通过全局玻璃化在Thard硬化;路径B中凝胶在Tdem触发受限微相分离,随后通过局部玻璃化在ThardPS硬化。研究证明Tdem由机械-热力学竞争控制:触发分相的内部压力Pc随永久网络剪切模量Gx线性增长,Pc/Gx≈100;Thard与ThardPS是不同硬化点,受弹性约束的局部水含量控制ThardPS。 该框架为编程软物质非平衡命运和“可锁定”性质提供了策略。相关论文以“Kinetic-driven microphase separation and vitrification of crowded hydrogels with associative bonds”为题,发表在Science Advances上。


研究首先合成不同交联密度的PAAc水凝胶,再在醋酸钙溶液中平衡形成拥挤PAAc-CaAc₂凝胶(图1b),并以等温滴定量热测量Ca²⁺与羧酸根的熵驱动缔合(图1c),发现缔合常数随温度升高而增大(图1d)。永久交联提供的剪切模量Gx被用作后续非平衡现象的“调控器”,熵驱动缔合则作为热响应“分子马达”;两条加热路径分别导向均匀玻璃化和受限分相后局部玻璃化(图1a)。


图1 熵驱动的拥挤凝胶系统与实验设计。

路径A采用0.1℃/小时的准静态加热,凝胶保持透明均匀(图2a),体积随缔合常数增加而线性收缩(图2b、2c);50℃以上收缩被动力学冻结。频率扫描流变区分出橡胶态、黏弹态和玻璃态(图2d、2e),并以tan δ特征峰定义Thard约50℃(图2b);调制差示扫描量热给出Tg-cw曲线,与平衡水含量曲线交点给出Thard约53℃(图2f、2g)。结论是:路径A的硬化由失水提高Tg、全局玻璃化控制,残余水仍提供局部增塑;Thard以上储能模量为10⁷至10⁸ Pa,低于完全干燥聚合物玻璃态。


图2 准等压路径的热力学性质与均匀硬化转变。

路径B采用≥1℃/分钟的快速加热维持准等容状态,升温超过临界温度后凝胶变浑浊(图3a、3b),Tdem按95%透射率阈值确定。超小角中子散射显示相分离形成微米至亚微米域,域尺寸基本稳定而数量密度随温度增加,且过程可逆(图3c);临界温度跃变ΔTc随起始温度升高而减小(图3d),计算得Pc/Gx≈100(图3e)。更高温度下由流变tan δ峰定义ThardPS,它高于Thard(图3f);相图表明路径B中总水含量成为独立控制参数,浓相玻璃化可锁定相分离形貌(图3g)。这表明路径B先发生微相分离,再由聚合物浓相的局部玻璃化控制整体软到硬转变。


图3 准等容条件下动力学驱动的受限相分离与热硬化。

通过改变交联密度,研究进一步验证弹性调控:电镜显示分相微结构随Gx变化(图4a),ΔTc和水过饱和比随Gx增加(图4b),Pc随Gx线性增长且Pc/Gx≈100(图4c),孔半径呈RSEM~Gx-0.35标度(图4d);ThardPS随Gx升高,而Thard基本不变(图4e)。这表明稀相域中网络链大幅拉伸产生的“拉伸惩罚”主导分相阻力,网络弹性可选择性移动分相边界和局部冻结温度。

综上,该研究建立了Pc/Gx≈100的特征标度,说明拥挤离子水凝胶的分相阈值受网络弹性根本约束,动态键则保证分相可逆。 通过调节加热速率,材料可在均匀透明收缩态与异质硬化态之间导航;由于ThardPS可由Gx预测调节,可在特定温度“锁定”硬化状态。这为理性设计可锁定软材料提供了新自由度,也为理解自然界的玻璃化热保护机制提供了简化模型。


图4 网络弹性对动力学驱动转变的影响。


特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
狂轰44+8+6!NBA历史首人,这就是他能拿6260万美金年薪的原因

狂轰44+8+6!NBA历史首人,这就是他能拿6260万美金年薪的原因

篮球扫地僧
2026-10-31 23:27:48
泰国男子经营非法外汇兑换业务,专门为购买中国商品的客户提供人民币被捕

泰国男子经营非法外汇兑换业务,专门为购买中国商品的客户提供人民币被捕

曼谷陈大叔
2026-11-02 16:00:47
44岁胡歌参加茉莉学校活动,在一群爸爸中帅又年轻,太给女儿长脸

44岁胡歌参加茉莉学校活动,在一群爸爸中帅又年轻,太给女儿长脸

奇怪的鲨鱼们
2026-11-01 14:45:21
杨议失控怒骂观众,反转来了!文旅局介入,原因曝光,网友:该骂

杨议失控怒骂观众,反转来了!文旅局介入,原因曝光,网友:该骂

皮皮电影
2026-11-01 23:00:08
热刺为巴萨目标标价8000万欧,皇马若竞争,需要出售阿诺德或邓弗里斯

热刺为巴萨目标标价8000万欧,皇马若竞争,需要出售阿诺德或邓弗里斯

福酱的小时光
2026-11-02 09:28:12
薄一波究竟属于哪一级别?是正国级,还是副国级?

薄一波究竟属于哪一级别?是正国级,还是副国级?

人生录
2026-10-15 05:18:24
马龙曾调侃:我真怀疑孙颖莎要接班,她每次见我,半句闲话都不聊!

马龙曾调侃:我真怀疑孙颖莎要接班,她每次见我,半句闲话都不聊!

翰飞观事
2026-10-29 11:39:46
0-4惨败!中国男足无缘决赛,踢一场比一场差:从3场不败到2连败

0-4惨败!中国男足无缘决赛,踢一场比一场差:从3场不败到2连败

侃球熊弟
2026-11-02 04:53:59
官宣!丰田雷克萨斯首款国产车,将上市!

官宣!丰田雷克萨斯首款国产车,将上市!

电动内参
2026-10-31 23:29:32
帝王穴不是涌泉,是脚底那个“总闸”,敲对了,气血从头通到脚

帝王穴不是涌泉,是脚底那个“总闸”,敲对了,气血从头通到脚

普陀动物世界
2026-11-01 01:51:15
修不起的10款新能源车:第1名换电池要20万,有你家车吗?

修不起的10款新能源车:第1名换电池要20万,有你家车吗?

三农老历
2026-10-31 10:50:35
戴耳机夺冠被举报?组委会回复一出,跑圈全沉默了…

戴耳机夺冠被举报?组委会回复一出,跑圈全沉默了…

小方说跑步
2026-10-30 17:09:56
铁了心对付中国?暴跌58%,俄罗斯大幅加税,中国汽车出口骤降

铁了心对付中国?暴跌58%,俄罗斯大幅加税,中国汽车出口骤降

听风喃
2026-10-17 08:00:36
欧洲:不能从中国买电池!中国:收到,那我把整个电池厂搬过来!

欧洲:不能从中国买电池!中国:收到,那我把整个电池厂搬过来!

影孖看世界
2026-10-27 23:14:31
“你女儿法号是?”家长给中学女儿的带饭:看似丰盛,蛋白质含量却几乎为0

“你女儿法号是?”家长给中学女儿的带饭:看似丰盛,蛋白质含量却几乎为0

妍妍教育日记
2026-09-30 10:35:15
如果没有张国焘,红四方面军至少能出四位元帅

如果没有张国焘,红四方面军至少能出四位元帅

【历史客栈】
2026-08-18 10:05:16
一名入伍才三个月的俄军逃兵,在乌东村落枪杀了五名熟睡的乌军无人机操作员,得手后端着枪一头扎进了乌克兰控制的百万人口大城市

一名入伍才三个月的俄军逃兵,在乌东村落枪杀了五名熟睡的乌军无人机操作员,得手后端着枪一头扎进了乌克兰控制的百万人口大城市

扶苏聊历史
2026-10-26 11:49:51
老了才明白:最傻的父母,攥大把存款和退休金,等着给儿女当遗产

老了才明白:最傻的父母,攥大把存款和退休金,等着给儿女当遗产

阿凯销售场
2026-11-01 14:33:53
山姆到底啥东西比外面便宜?网友:买一次能用几代人,真香!

山姆到底啥东西比外面便宜?网友:买一次能用几代人,真香!

另子维爱读史
2026-10-30 21:30:40
英国外长G20当面喊话拉夫罗夫:若有勇气,就告诉普京他不会赢

英国外长G20当面喊话拉夫罗夫:若有勇气,就告诉普京他不会赢

叮当当科技
2026-11-01 07:04:31
2026-11-02 16:44:49
高分子科学前沿 incentive-icons
高分子科学前沿
高分子领域第一自媒体
17071文章数 66947关注度
往期回顾 全部

科技要闻

连AI都有领导了!DeepSeek让它们自己抢活干

头条要闻

美方称朝鲜盗走币安63亿美元资产 外交部回应

头条要闻

美方称朝鲜盗走币安63亿美元资产 外交部回应

体育要闻

24岁老秀:说最狂的话,打最勇的球

娱乐要闻

宋仲基侮辱妻子 和宋慧乔离婚原因被扒

财经要闻

在座各位AI,都是“垃圾”

汽车要闻

百万超跑同款悬架? 第二代海豹07野心不小

态度原创

本地
游戏
数码
健康
公开课

本地新闻

十月奔赴迪庆,解锁梅里日照金山

《最后的生还者》非官方Windows移植已进主线!

数码要闻

赛睿Apex Pro TKL Gen 3磁轴键盘Cyber / Steel限量版发售,1899元

查不出猝死风险?可能是项目没做对

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版