是超级空气取水的二元亲水聚合盐新型水凝胶材料的意思。制冷与低温工程研究所（以下简称“制冷所”）王如竹教授领衔的能源-空气-水创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air，ITEWA）在美国化学会新刊ACS Materials Letters上发表了题为“Super atmospheric water harvesting hydrogel with alginate chains modified with binary salts”的论文，首次提出了一种结合了二元亲水聚合盐（Bina）与功能化多壁碳纳米管（FCNT），具有吸附容量大、蒸发效率高、结构稳定、制备简单、成本低廉等显著优势的复合吸水水凝胶材料，并通过实验证实了这种新型材料在应用于太阳能驱动空气取水设备时的优异性能。论文第一作者是制冷所外籍博士Akram Entezari，另一位外籍在读博士Mojtaba Ejeian也参与了此项研究工作；通讯作者是王如竹教授。该文为ACS Materials Letters当期封面论文。空气中的含水量可以达到整个地球上所有湖泊总水量的10%，而空气取水（Atmospheric Water Harvesting，AWH）在缓解全球水资源短缺问题上具有广阔的应用前景。海藻酸钠是一种含有β-D-甘露糖醛酸根（M块）和α-L-古罗糖醛酸根（G块）的线性共聚物，可以具有不同的G/M比例。文章使用了更加亲水的锂和钙离子取代钠离子来填充G块和M块，制成了二元亲水聚合盐（Bina），并与FCNT相结合。在此新型吸水材料Bina/FCNT中，未反应的盐可以在很宽的相对湿度（Relative Humidity，RH）范围内快速吸收空气中的水分，而其中的FCNT主要用来高效吸收阳光并将太阳能转换为热能用于解吸出水。除此之外，FCNT还能保持此材料多孔结构的均一性、完整性和稳定性。实验数据表明，每克此材料在70%RH条件下吸水量可以高达5.6g，即使在更加干燥的20%RH条件下也能达到1.4g。用于实验测试的太阳能空气取水装置研究发现Bina/FCNT水凝胶吸水能力强，动态性能好，但是也容易液解。为了避免液解，实际使用中可以缩短吸附时间。为了实际测试Bina/FCNT的取水性能，此项研究专门设计制作了一个便携式被动太阳能蒸发器，采用双斜面的结构以取得更高的太阳能吸收效率。实验结果表明，Bina/FCNT的结构和性能在高达80℃的温度条件下依然保持稳定，并且当解吸温度设置为70℃时装置的单位产水能耗较低（13.3kJ/ml）。另外，在对水质的检测中发现，尽管离子浓度与解吸温度直接相关，但是检测到的取水水质始终符合饮用水需求。研究证明新型Bina/FCNT吸附剂在基于吸附的可移动分布式淡水生产技术领域的应用前景十分广阔。该研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目（51521004）的资助。王如竹教授领衔的ITEWA团队近2年来已经陆续在Joule、Advance Materials、Energy & Environmental Science、Angwandt Chemie、Energy Storage Materials等期刊上发表了10篇论文。该团队致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统多个层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。
近期， 武汉 科技 大学“超分子材料与分子纳米器件团队”梁峰教授课题组 以合成化学作为基础和核心，积极拓展与相关学科和领域的交叉融合，在新材料精准化制备和应用研究方向取得进展，发表了多篇高水平研究论文。
利用金纳米颗粒的可塑性， 梁峰教授课题组可控制备了低钯含量的星状金钯双金属纳米颗粒 。通过对金钯双金属纳米星的中间产物的系列表征， 提出了金钯纳米星“两步法”的生长机理：即先形成单金属金纳米球，再以此为核心形成双金属金钯纳米星。 由于纳米颗粒中钯元素的加入，该纳米颗粒不仅能够高效催化对硝基苯酚（工业废料）还原为对氨基苯酚（工业原料），还能够有效催化Suzuki偶联反应， 实现催化剂的多功能化 。研究成果 “ Au-Pd nanostars with low Pd content : controllable preparation and remarkable performance in catalysis ”在《 The Journal of Physical Chemistry C 》杂志发表。化学与化工学院2017级博士研究生马涛是该论文的第一作者。
金钯双金属纳米颗粒的可控制备及多功能催化示意图
通过将石墨烯气凝胶引入掺杂有聚多巴胺纳米颗粒（PDA-NPs）的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）网络中，梁峰教授课题组与国家纳米科学中心韩东研究员课题组合作，制备出了一种多功能水凝胶 。除了增强的机械性能、良好的导电性能和自粘附性能， 制备得到的水凝胶还表现出近红外和温度双响应性能，可以根据需要释放药物；并且，在药物释放过程中，水凝胶的电阻也随之变化，因此可以利用电阻变化来实时监测药物的释放浓度。 这使得其在药物可控载释和精准医疗等领域具有潜在的应用价值。研究结果“ Temperature/Near-Infrared-Responsive Conductive Hydrogel for Controlled Drug Release and Real-Time Monitoring ” 在《 Nanoscale 》杂志发表。化学与化工学院2016级博士研究生朱玉亭是该论文的第一作者。
在以农药为主的农业化学品的实际应用中，促进药液喷雾在目标作物上的铺展和沉积对提高农药使用效率，降低对环境影响具有重要意义。柱芳烃(Pillar[n]arene)是一类新型大环超分子主体。与传统的大环结构相比，柱芳烃具有高度对称的刚性骨架结构和独特的富电子空腔并易于衍生化，在超分子化学领域表现出了重要的应用价值。 梁峰教授课题组与华中师范大学李海兵教授课题组合作 ， 利用柱芳烃与农药分子间的主-客相互作用成功实现了农药分子矮壮素液滴在疏水表面上的铺展和沉积，并表现出优异的选择性 。这一研究 探索 了超分子化学在农业领域的应用，并对实现农药的精细利用具有指导意义。研究结果“ Pillar[5]arene promoted selective spreading of chlormequat droplets on hydrophobic surface ”在《 Langmuir 》杂志发表。化学与化工学院2017级硕士研究生余胜是该论文的第一作者。
此外，该团队硕士研究生王娇（导师为陈荣生教授）和曾艳教授团队合作研究的论文“ Catalyst-free fabrication of one-dimensional N-doped carbon coated TiO2 nanotube arrays by template carbonization of polydopamine for high performance electrochemical sensors ”在《 Applied Surface Science 》杂志发表。博士后张雄志（合作导师为刘思敏教授）等的研究论文“ Host-guest interaction-mediated fabrication of hybrid microsphere-structured supramolecular hydrogel showing high mechanical strength ”在《 Soft Matter 》杂志发表。
上述论文的第一单位为武汉 科技 大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室。研究工作得到国家高层次人才计划、国家自然科学基金、湖北省楚天学者计划、湖北省高等学校优秀中青年 科技 创新团队项目、省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室、煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室、武汉 科技 大学优秀博士论文培育项目的资助。
来源 武汉 科技 大学
论文链接
美国约翰·霍普金斯大学医学院报告称，他们开发出一种新型水凝胶生物材料，在软骨修复手术中将其注入骨骼小洞，能帮助刺激病人骨髓产生干细胞，长出新的软骨。在临床试验中，新生软骨覆盖率达到86%，术后疼痛也大大减轻。论文发表在2013年1月9日出版的《科学·转化医学》上。 埃里希还说，研究小组正在开发下一代移植材料，水凝胶和黏合剂就是其中之一，二者将被整合为一种材料。此外，她们还在研究关节润滑和减少发炎的技术。 加拿大最新的研究显示，水凝胶（Hydrogel）不仅有利于干细胞（Stem cell）移植，也可加速眼睛与神经损伤的修复。研究团队指出，像果冻般的水凝胶是干细胞移植的理想介质，可以帮助干细胞在体内存活，修复损伤组织。 中国科学院兰州化学物理所研究员周峰课题组利用分子工程，设计制备出一种具有双交联网络的超高强度水凝胶，大大提高了水凝胶的机械性能。相关研究已发表于《先进材料》。 据国外媒体报道，美国加州大学圣迭戈分校的纳米科学工程师日前研发出了一种凝胶，这种凝胶中含有能够吸附细菌毒素的纳米海绵。这 种凝胶有望用于治疗抗药性金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA。这种细菌产生了对所有青霉素的抗药性，常常被称作“超级细菌”）导致的皮肤和伤口上的感染。在不使用抗生素的情况下，这种“纳米 海绵水凝胶”能够把被抗药性金黄色葡萄球菌感染的小鼠皮肤上的损伤减小到最小。这项研究日前发表在学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。
很好。AMT期刊综述从两个方面突出了开发基于水凝胶的电机取得的进展：化学诱导的自主推进和外部刺激诱导的推进。根据推进机制的分类，讨论了设计原理、制造方法和运动表征。
作者 | 张晴丹
你能想象0.2克的“绳子”可以提起5公斤重的物体吗？
没开玩笑，这是科研人员创造出的一种力学性能惊人的新材料。它不但具有很好的拉伸性能，拉伸长度能达600%，而且还非常坚韧。
近日，美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上发表论文，介绍了这款新材料。它属于离子液体凝胶的一种，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。
评审专家之一、麻省理工学院教授赵选贺认为，“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能，而且最大的亮点是制作简单，易于使用。”
1+1 10，凝胶界的“佼佼者”
“通常凝胶的机械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶，这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey告诉《中国科学报》。
此次创造出的离子液体凝胶含有超过60%的离子液体，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺两种物质，前者是用于婴儿尿不湿吸水的主要材料，后者是用于隐形眼镜的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸离子液体凝胶的优点，实现了1+1 10的效果。
王美香介绍，新材料透明度达90%以上，其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能，可拉伸而且非常坚韧。拉伸的长度能达600%，模量有约50个兆帕，断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。
论文中展示的是用0.2克的离子液体凝胶材料，轻松提起1公斤重量的物体。事实上提起5公斤的重量也不在话下，但因实验室没有5公斤的标准件，他们后来用5公斤的水桶做了实验，材料本身不会有任何破损。
离子液体这个溶剂本身不挥发，且具有很高的热稳定性和导电性。因此，创造出的这款离子液体凝胶具有广阔的应用前景。“可用于电池、传感器、3D打印、致动器和柔性电子设备等。”Michael D. Dickey说。
可穿戴柔性电子器件是当下科学研究的热门之一，要同时满足可弯折、扭曲、拉伸等需求，所以对材料的要求极高。以往做展示用的较多的是传统柔性材料——水凝胶，但水凝胶稳定性是个大问题，长期暴露在空气中会导致水分蒸发、性能受损。
“离子液体凝胶完全可以替代水凝胶在可穿戴柔性电子器件上的应用。首先它很稳定不挥发，不需要任何包覆；其次具有高导电性，不需要额外添加导电介质；可穿戴设备往往需要大变形，离子液体凝胶还可以用来开发应变传感器。”王美香说，“还有一点，它具有自愈合和形状记忆的特性。”
一步法轻松做成
长期以来，在凝胶材料领域最火的，非水凝胶莫属。
实际上，水凝胶在生活中已相当常见。比如，隐形眼镜、果冻、龟苓膏等都是水凝胶的“产物”。自62年前水凝胶横空出世，科研人员便绞尽脑汁地挖掘其力学性能，涌现了无数重大成果。
但同为凝胶材料，离子液体凝胶领域的研究则发展较慢。例如力学性能研究还是一块空白，很难把它的力学性能做到与高强度水凝胶相媲美的程度。
在这篇论文发表之前，合成高强度离子液体凝胶的方法并不易。为了提高材料的力学性能，一些研究人员采用多步法或者溶剂交换，整个过程耗时长、成本高，而且浪费资源。
挑战不可能，这是科研工作者骨子里的基因，恰好离子液体这个溶剂的“72般变化”也让王美香着迷。
“顾名思义，水凝胶用的溶剂只有一种，就是水，而离子液体凝胶用的溶剂是离子液体，有成千上万种，这正是它的魅力所在。”王美香对《中国科学报》说。离子液体在室温下是一种液态的熔融盐，里面含有正离子和负离子，只要熔融盐里的正负离子不一样，就可以实现离子液体的千变万化。
研究选材是从聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的单体开始。
最初，王美香把两种材料分开来做。当把丙烯酰胺融到离子液体后，产生的凝胶跟她预想的完全不一样，不透明、发白，就像晒干的面条一样特别脆，一碰就断。随后她又试了丙烯酸，做出来的凝胶则超级软，透明度达到百分百。
完全就是两种极端！这让她无比兴奋，如果把三者混在一起，会擦出什么样的火花呢？
“把丙烯酰胺和丙烯酸融到离子液体里，再加入引发剂和交联剂，然后混匀，用高功率紫外灯照射，3分钟就能制作出论文中这种新型混合材料。”王美香说，“就是这么简单。”
一步法就这样诞生了！它为离子液体凝胶研究开启了新世界的大门。
为实验蓄能，把理论变为现实
王美香在西安交通大学读博期间，就一直从事水凝胶研究。但她看到了离子液体凝胶材料的巨大潜力，因此萌生了调整研究方向的想法。
2018年12月，王美香从西安交通大学获得材料科学与工程博士学位后，进入北卡罗来纳州立大学Dickey实验室做博士后，主要致力于高机械性能凝胶材料的设计和制备，以及研究其在可穿戴柔性电子器件、全固态电池以及超级电容器、传感器和驱动器等领域的应用。
在新的平台，王美香也顺利转换到新赛道，开始离子液体凝胶材料研究。
但是，王美香刚进入北卡罗来纳州立大学，新冠疫情就来了，一下打乱了研究计划，学校封闭，无法进入实验室。
她便利用这段时间查阅文献，为实验蓄能。在家“闭关”三个月后，终于等来复工的消息。王美香便一头扎进实验里，每天在实验室待八个小时，把实验过程中看到的现象记录下来，晚上回家查资料来分析这些现象的成因。
幸运的是，这项工作从始至终都比较顺利，这篇论文投给期刊也很快被接收。并且，评审专家都对该成果给了很高的评价。
“接下来，我们将会做应用方面的拓展，想把离子液体凝胶与3D打印技术相结合，用于开发新型柔性机器人。”王美香说。
参与这项研究的一共有9位作者，其中华人学者就有4位。除了王美香，另外3位分别是论文共同通讯作者、西安交通大学教授胡建，西安交通大学硕士生张鹏尧，以及美国内布拉斯加州大学林肯分校研究助理教授钱文。
美国约翰·霍普金斯大学医学院报告称，他们开发出一种新型水凝胶生物材料，在软骨修复手术中将其注入骨骼小洞，能帮助刺激病人骨髓产生干细胞，长出新的软骨。在临床试验中，新生软骨覆盖率达到86%，术后疼痛也大大减轻。论文发表在2013年1月9日出版的《科学·转化医学》上。 埃里希还说，研究小组正在开发下一代移植材料，水凝胶和黏合剂就是其中之一，二者将被整合为一种材料。此外，她们还在研究关节润滑和减少发炎的技术。 加拿大最新的研究显示，水凝胶（Hydrogel）不仅有利于干细胞（Stem cell）移植，也可加速眼睛与神经损伤的修复。研究团队指出，像果冻般的水凝胶是干细胞移植的理想介质，可以帮助干细胞在体内存活，修复损伤组织。 中国科学院兰州化学物理所研究员周峰课题组利用分子工程，设计制备出一种具有双交联网络的超高强度水凝胶，大大提高了水凝胶的机械性能。相关研究已发表于《先进材料》。 据国外媒体报道，美国加州大学圣迭戈分校的纳米科学工程师日前研发出了一种凝胶，这种凝胶中含有能够吸附细菌毒素的纳米海绵。这 种凝胶有望用于治疗抗药性金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA。这种细菌产生了对所有青霉素的抗药性，常常被称作“超级细菌”）导致的皮肤和伤口上的感染。在不使用抗生素的情况下，这种“纳米 海绵水凝胶”能够把被抗药性金黄色葡萄球菌感染的小鼠皮肤上的损伤减小到最小。这项研究日前发表在学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。
聚合物凝胶的亲水性双网络结构。根据查询相关资料显示：水凝胶的最大吸水量取决于聚合物凝胶的亲水性双网络结构。双网络水凝胶的力学增强性能主要取决于刚性网络，当双网络水凝胶受力时，刚性网络发生断裂，而柔性网络由于受刚性网络的保护不会断裂。水凝胶是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。
Living organs work with fantastic functions in soft and wet gel-like states, except for hard compositions such as bone and tooth. Thus, hydrogels attract considerable attention as excellent wet materials, suitable for fabricating artificial organs for medical treatments. However, conventional hydrogels are too brittle to be employed in such applications. To address this problem, our laboratory succeeded in synthesizing tough double network hydrogels (DN gels) by combining rigid strong polyelectrolyte gels (the first network) with flexible neutral polymer gels (the second network). 除了骨骼和牙齿等硬组合物外，活体器官在柔软和湿润的凝胶状态下具有出色的功能。因此，水凝胶作为优异的湿材料引起相当大的注意，适合于制造用于医学治疗的人造器官。然而，常规水凝胶太脆而不能用于这种应用中。为了解决这个问题，我们的实验室通过将刚性强聚电解质凝胶（第一网络）与柔性中性聚合物凝胶（第二网络）相结合，成功合成了坚韧的双网络水凝胶（DN凝胶）。 DN gels are as strong as rubber, and their compressive fracture stress is about 10–60 MPa (100–600 kgf/cm2), which is approximately hundred times stronger than single network gels (0.3–0.6 MPa). In addition, some types of DN gels also show flexibility, with tensile fracture strains reaching 30. DN凝胶与橡胶一样坚固，其压缩断裂应力约为10-60 MPa（100-600 kgf / cm2），比单网凝胶（0.3-0.6 MPa）强约100倍。此外，某些类型的DN凝胶也显示出柔韧性，拉伸断裂应变达到30。 These high mechanical properties of DN gels arise from the reciprocity of two networks, which suppress the progression of cracks. When force is applied to DN gels, the rigid and brittle first network breaks down. For single network gels, microcracks can spread and cause a breakdown of the network , while for DN gels, the existence of the soft second network can connect the fragments of the first network, thereby suppressing the scale-up of microcracks. Therefore, large amounts of microcracks are in co-existence because of the distribution of stress, and large amounts of energy are dissipated in this process. DN凝胶的这些高机械性能源于两个网络的互易性，这抑制了裂缝的进展。当对DN凝胶施加力时，刚性和脆性的第一网络发生故障。对于单网络凝胶，微裂纹可以扩散并导致网络崩溃，而对于DN凝胶，软第二网络的存在可以连接第一网络的碎片，从而抑制微裂纹的扩大。因此，由于应力的分布，大量的微裂纹共存，并且在该过程中消耗了大量的能量。 We have also developed tough hydrogels that were constructed completely from natural materials. Bacterial cellulose gels (BC gels), produced by Acetobacter xylinum , show high tensile fracture stress, but cannot hold enough water within them. In contrast, gelatin gels derived from animals can hold a sufficient amount of water, but they possess poor mechanical properties. We have succeeded in synthesizing BC/gelatin DN hydrogels having excellent mechanical properties by combining these two kinds of gel in order to compensate for each of their individual weaknesses. 我们还开发了完全由天然材料制成的坚韧水凝胶。由木醋杆菌（Acetobacter xylinum）产生的细菌纤维素凝胶（BC凝胶）显示出高拉伸断裂应力，但不能在其中保持足够的水。相反，来自动物的明胶凝胶可以保持足够量的水，但它们具有差的机械性能。通过组合这两种凝胶，我们成功地合成了具有优异机械性能的BC /明胶DN水凝胶，以补偿它们各自的弱点。 We are trying to apply DN gels to regeneration medicine in co-operation with Prof. Yasuda's group (Graduate School of Medicine, Hokkaido University). Articular cartilages play very important roles such as cushioning when we perform exercises. Until now, it was believed that once an articular cartilage is broken, it would never fully regenerate. Hence, it has been difficult to repair a broken cartilage adequately. However, we succeeded in regenerating a cartilage by embedding a biocompatible DN gel in the defect of rabbit cartilage for four weeks. This is the world's first case of successful cartilage regeneration! For details, visit Prof. Yasuda's homepage 我们正在尝试将DN凝胶应用于Yasuda教授团队（北海道大学医学研究生院）的再生医学。当我们进行锻炼时，关节软骨起着非常重要的作用，例如缓冲。到目前为止，人们认为，一旦关节软骨破裂，它就永远不会完全再生。因此，难以充分修复破损的软骨。然而，我们通过在兔软骨缺损中嵌入生物相容性DN凝胶四周来成功地再生软骨。这是世界上第一例成功进行软骨再生的案例！有关详细信息，请访问 Yasuda教授的主页 Compared with common hydrogels, DN gels possess higher mechanical properties. However, there are some problems with regard to their application. The largest problem is that it is difficult to synthesize DN gels in free shape because of the poor mechanical strength of the first network gel. Apart from this issue, it is important to be able to shape gels freely for application as artificial cartilage. Recently, we succeeded in synthesizing freely shapeable DN gels by two methods: by synthesizing DN gels from a particle first network gel or by using a poly(vinyl alcohol) hydrogel mold. 与普通水凝胶相比，DN凝胶具有更高的机械性能。但是，它们的应用存在一些问题。最大的问题是由于第一网络凝胶的机械强度差，难以合成自由形状的DN凝胶。除了这个问题之外，重要的是能够自由地形成凝胶以用作人造软骨。最近，我们成功地通过两种方法合成可自由成形的DN凝胶：通过从颗粒第一网络凝胶合成DN凝胶或通过使用聚（乙烯醇）水凝胶模具。 References Gong, J. P.; Katsuyama, Y.; Kurokawa, T.; Osada, Y. Adv. Mater. 2003, 15, 1155. Na, Y.-H.; Tanaka, Y.; Kurokawa, T.; Furukawa, H.; Sumiyoshi, T.; Gong, J. P.; Osada, Y. Macromolecules 2006, 39, 641. Tanaka, Y.; Kawauchi, Y.; Kurokawa, T.; Furukawa, H; Okajima, T.; Gong, J. P. Macromol. Rapid Commun. 2008, 29, 1514. Yasuda, K.; Kitamura, N.; Gong, J. P.; Arakaki, K.; Kwon, H. J.; Onodera, S.; Chen, Y. M.; Kurokawa, T.; Kanaya, F.; Ohmiya, Y.; Osada, Y. Macromol. Biosci., 2009, 9, 307.
近期， 武汉 科技 大学“超分子材料与分子纳米器件团队”梁峰教授课题组 以合成化学作为基础和核心，积极拓展与相关学科和领域的交叉融合，在新材料精准化制备和应用研究方向取得进展，发表了多篇高水平研究论文。
利用金纳米颗粒的可塑性， 梁峰教授课题组可控制备了低钯含量的星状金钯双金属纳米颗粒 。通过对金钯双金属纳米星的中间产物的系列表征， 提出了金钯纳米星“两步法”的生长机理：即先形成单金属金纳米球，再以此为核心形成双金属金钯纳米星。 由于纳米颗粒中钯元素的加入，该纳米颗粒不仅能够高效催化对硝基苯酚（工业废料）还原为对氨基苯酚（工业原料），还能够有效催化Suzuki偶联反应， 实现催化剂的多功能化 。研究成果 “ Au-Pd nanostars with low Pd content : controllable preparation and remarkable performance in catalysis ”在《 The Journal of Physical Chemistry C 》杂志发表。化学与化工学院2017级博士研究生马涛是该论文的第一作者。
金钯双金属纳米颗粒的可控制备及多功能催化示意图
通过将石墨烯气凝胶引入掺杂有聚多巴胺纳米颗粒（PDA-NPs）的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）网络中，梁峰教授课题组与国家纳米科学中心韩东研究员课题组合作，制备出了一种多功能水凝胶 。除了增强的机械性能、良好的导电性能和自粘附性能， 制备得到的水凝胶还表现出近红外和温度双响应性能，可以根据需要释放药物；并且，在药物释放过程中，水凝胶的电阻也随之变化，因此可以利用电阻变化来实时监测药物的释放浓度。 这使得其在药物可控载释和精准医疗等领域具有潜在的应用价值。研究结果“ Temperature/Near-Infrared-Responsive Conductive Hydrogel for Controlled Drug Release and Real-Time Monitoring ” 在《 Nanoscale 》杂志发表。化学与化工学院2016级博士研究生朱玉亭是该论文的第一作者。
在以农药为主的农业化学品的实际应用中，促进药液喷雾在目标作物上的铺展和沉积对提高农药使用效率，降低对环境影响具有重要意义。柱芳烃(Pillar[n]arene)是一类新型大环超分子主体。与传统的大环结构相比，柱芳烃具有高度对称的刚性骨架结构和独特的富电子空腔并易于衍生化，在超分子化学领域表现出了重要的应用价值。 梁峰教授课题组与华中师范大学李海兵教授课题组合作 ， 利用柱芳烃与农药分子间的主-客相互作用成功实现了农药分子矮壮素液滴在疏水表面上的铺展和沉积，并表现出优异的选择性 。这一研究 探索 了超分子化学在农业领域的应用，并对实现农药的精细利用具有指导意义。研究结果“ Pillar[5]arene promoted selective spreading of chlormequat droplets on hydrophobic surface ”在《 Langmuir 》杂志发表。化学与化工学院2017级硕士研究生余胜是该论文的第一作者。
此外，该团队硕士研究生王娇（导师为陈荣生教授）和曾艳教授团队合作研究的论文“ Catalyst-free fabrication of one-dimensional N-doped carbon coated TiO2 nanotube arrays by template carbonization of polydopamine for high performance electrochemical sensors ”在《 Applied Surface Science 》杂志发表。博士后张雄志（合作导师为刘思敏教授）等的研究论文“ Host-guest interaction-mediated fabrication of hybrid microsphere-structured supramolecular hydrogel showing high mechanical strength ”在《 Soft Matter 》杂志发表。
上述论文的第一单位为武汉 科技 大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室。研究工作得到国家高层次人才计划、国家自然科学基金、湖北省楚天学者计划、湖北省高等学校优秀中青年 科技 创新团队项目、省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室、煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室、武汉 科技 大学优秀博士论文培育项目的资助。
来源 武汉 科技 大学
论文链接
11个月。食品水凝胶的时间期限是11个月，11个月后就过期不能使用了。食品水凝胶（Hydrogel）是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。
关于全碳气凝胶的密度仅为0.16千克每立方米如下：
“全碳气凝胶”的固态材料密度仅每立方厘米0．16毫克，是空气密度的六分之一，也是迄今为止世界上最轻的材料。
“气凝胶”是半固体状态的凝胶经干燥、去除溶剂后的产物，外表呈固体状，内部含有众多孔隙，充斥着空气，因而密度极小。
2013年3月，浙江大学的科学家们研制出了一种超轻材料，这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度仅为0.16mg/cm3，是空气密度的六分之一，也是迄今为止世界上最轻的材料。
“气凝胶”是半固体状态的凝胶经干燥、去除溶剂后的产物，外表呈固体状，内部含有众多孔隙，充斥着空气，因而密度极小。
浙江大学高分子科学与工程学系高超教授的课题组将含有石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下冻干，去除水分、保留骨架，成功刷新了“最轻材料”的纪录。
此前的“世界纪录保持者”是由德国科学家在2012年底制造的一种名为“石墨气凝胶”的材料，密度为每立方厘米0.18毫克。
这一研究成果已于2013年2月18日在线发表在《先进材料》期刊上，并被《自然》杂志在“研究要闻”栏目中重点配图评论。
作者 | 张晴丹
你能想象0.2克的“绳子”可以提起5公斤重的物体吗？
没开玩笑，这是科研人员创造出的一种力学性能惊人的新材料。它不但具有很好的拉伸性能，拉伸长度能达600%，而且还非常坚韧。
近日，美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上发表论文，介绍了这款新材料。它属于离子液体凝胶的一种，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。
评审专家之一、麻省理工学院教授赵选贺认为，“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能，而且最大的亮点是制作简单，易于使用。”
1+1 10，凝胶界的“佼佼者”
“通常凝胶的机械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶，这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey告诉《中国科学报》。
此次创造出的离子液体凝胶含有超过60%的离子液体，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺两种物质，前者是用于婴儿尿不湿吸水的主要材料，后者是用于隐形眼镜的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸离子液体凝胶的优点，实现了1+1 10的效果。
王美香介绍，新材料透明度达90%以上，其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能，可拉伸而且非常坚韧。拉伸的长度能达600%，模量有约50个兆帕，断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。
论文中展示的是用0.2克的离子液体凝胶材料，轻松提起1公斤重量的物体。事实上提起5公斤的重量也不在话下，但因实验室没有5公斤的标准件，他们后来用5公斤的水桶做了实验，材料本身不会有任何破损。
离子液体这个溶剂本身不挥发，且具有很高的热稳定性和导电性。因此，创造出的这款离子液体凝胶具有广阔的应用前景。“可用于电池、传感器、3D打印、致动器和柔性电子设备等。”Michael D. Dickey说。
可穿戴柔性电子器件是当下科学研究的热门之一，要同时满足可弯折、扭曲、拉伸等需求，所以对材料的要求极高。以往做展示用的较多的是传统柔性材料——水凝胶，但水凝胶稳定性是个大问题，长期暴露在空气中会导致水分蒸发、性能受损。
“离子液体凝胶完全可以替代水凝胶在可穿戴柔性电子器件上的应用。首先它很稳定不挥发，不需要任何包覆；其次具有高导电性，不需要额外添加导电介质；可穿戴设备往往需要大变形，离子液体凝胶还可以用来开发应变传感器。”王美香说，“还有一点，它具有自愈合和形状记忆的特性。”
一步法轻松做成
长期以来，在凝胶材料领域最火的，非水凝胶莫属。
实际上，水凝胶在生活中已相当常见。比如，隐形眼镜、果冻、龟苓膏等都是水凝胶的“产物”。自62年前水凝胶横空出世，科研人员便绞尽脑汁地挖掘其力学性能，涌现了无数重大成果。
但同为凝胶材料，离子液体凝胶领域的研究则发展较慢。例如力学性能研究还是一块空白，很难把它的力学性能做到与高强度水凝胶相媲美的程度。
在这篇论文发表之前，合成高强度离子液体凝胶的方法并不易。为了提高材料的力学性能，一些研究人员采用多步法或者溶剂交换，整个过程耗时长、成本高，而且浪费资源。
挑战不可能，这是科研工作者骨子里的基因，恰好离子液体这个溶剂的“72般变化”也让王美香着迷。
“顾名思义，水凝胶用的溶剂只有一种，就是水，而离子液体凝胶用的溶剂是离子液体，有成千上万种，这正是它的魅力所在。”王美香对《中国科学报》说。离子液体在室温下是一种液态的熔融盐，里面含有正离子和负离子，只要熔融盐里的正负离子不一样，就可以实现离子液体的千变万化。
研究选材是从聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的单体开始。
最初，王美香把两种材料分开来做。当把丙烯酰胺融到离子液体后，产生的凝胶跟她预想的完全不一样，不透明、发白，就像晒干的面条一样特别脆，一碰就断。随后她又试了丙烯酸，做出来的凝胶则超级软，透明度达到百分百。
完全就是两种极端！这让她无比兴奋，如果把三者混在一起，会擦出什么样的火花呢？
“把丙烯酰胺和丙烯酸融到离子液体里，再加入引发剂和交联剂，然后混匀，用高功率紫外灯照射，3分钟就能制作出论文中这种新型混合材料。”王美香说，“就是这么简单。”
一步法就这样诞生了！它为离子液体凝胶研究开启了新世界的大门。
为实验蓄能，把理论变为现实
王美香在西安交通大学读博期间，就一直从事水凝胶研究。但她看到了离子液体凝胶材料的巨大潜力，因此萌生了调整研究方向的想法。
2018年12月，王美香从西安交通大学获得材料科学与工程博士学位后，进入北卡罗来纳州立大学Dickey实验室做博士后，主要致力于高机械性能凝胶材料的设计和制备，以及研究其在可穿戴柔性电子器件、全固态电池以及超级电容器、传感器和驱动器等领域的应用。
在新的平台，王美香也顺利转换到新赛道，开始离子液体凝胶材料研究。
但是，王美香刚进入北卡罗来纳州立大学，新冠疫情就来了，一下打乱了研究计划，学校封闭，无法进入实验室。
她便利用这段时间查阅文献，为实验蓄能。在家“闭关”三个月后，终于等来复工的消息。王美香便一头扎进实验里，每天在实验室待八个小时，把实验过程中看到的现象记录下来，晚上回家查资料来分析这些现象的成因。
幸运的是，这项工作从始至终都比较顺利，这篇论文投给期刊也很快被接收。并且，评审专家都对该成果给了很高的评价。
“接下来，我们将会做应用方面的拓展，想把离子液体凝胶与3D打印技术相结合，用于开发新型柔性机器人。”王美香说。
参与这项研究的一共有9位作者，其中华人学者就有4位。除了王美香，另外3位分别是论文共同通讯作者、西安交通大学教授胡建，西安交通大学硕士生张鹏尧，以及美国内布拉斯加州大学林肯分校研究助理教授钱文。