水凝胶由遇水高度膨胀的交联聚合物组成。温度变化过程中水分蒸发或冻结可能导致水凝胶变硬变脆。
2025年2月27日，浙江大学罗自生、李铁风及杨栩旭共同通讯在Science在线发表题为“Hydro-locking in hydrogel for extreme temperature tolerance”的研究论文，该研究引入了一种叫做“锁水”的策略，它包括将水分子固定在水凝胶的聚合物网络中。
这是通过使用硫酸在水分子和聚合物之间建立牢固的连接来实现的。引入牺牲网络来保护主聚合物网络免于崩溃。在水锁模式下，海藻酸盐-聚丙烯酰胺双网水凝胶在–115至143°C的温度范围内保持柔软和可拉伸。该策略适用于一系列水凝胶和溶液，可以在极端温度下保存和观察材料甚至活生物体。
水凝胶由充满水的交联聚合物网络组成，已被研究并用于组织工程、柔性电子器件和软机器人。聚合物网络的增强使得水凝胶具有高度的可拉伸性和韧性。然而，与具有固有熵弹性的弹性体不同，水凝胶的柔韧性依赖于流动水分子的存在。因此，这种依赖性导致水凝胶在温度变化过程中因蒸发或冻结而失水时变得坚硬和易碎。
将水分子锁定在水凝胶的聚合物网络中并保持其流动性对于在较宽的温度范围内保持水凝胶的机械性能至关重要。目前的方法包括用其他液体代替水，提高水凝胶的相变温度。这些溶剂包括离子液体和无机盐的水溶液，非挥发性有机化合物如海藻糖，两性离子渗透剂，以及它们的组合。离子液体凝胶显示出宽的温度范围；然而，它们往往会吸收空气中的水分，导致性能随着时间的推移而下降。
双网络水凝胶在其聚合物网络中具有大比例的自由水（图源自Science）
水溶液可以包含额外的成分，以提高水从无序到有序冰结构转变的能垒，降低溶剂的冻结温度，通常在-20到-80℃之间。因此，取代溶剂的冻结温度决定了水凝胶的温度下限。因为水在环境压力下在100℃沸腾，所以这些水性体系中水凝胶的上限温度通常保持在80℃以下。在取代溶剂的水凝胶中，水分子仍然是可移动的，存在转变成冰或脱离水凝胶的风险，使聚合物网络变得脆弱。
该研究通过将大多数水分子牢牢与水凝胶网络连接，成功实现了水凝胶中的水力锁定策略。该策略使得水凝胶在极端温度下表现出优异的稳定性，能够在-115°C至143°C的温度范围内保持其柔软性和可拉伸性。研究结果表明，这种水力锁定策略可广泛应用于不同类型的水凝胶，前提是使用合适的连接剂。
参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq2711
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