近日，北京航空航天大學(xué)劉明杰教授和劉克松教授團隊報道了一種可大規(guī)模制備多尺度結(jié)構(gòu)化功能表面的水凝膠材料的簡易方法。該方法依賴于聚合物鏈擴散與隨后的凍結(jié)誘導(dǎo)凝膠化和微相分離過程之間的相互作用。即他們的策略是通過兩個連續(xù)的過程：1、擴散驅(qū)動的混合過程；2、冷凍誘導(dǎo)的凝膠化和微相分離。前者形成擴散層,后者在此擴散層中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，然后冷凍使得聚合物凝膠化到微相分離，最終固定凝膠表面的微/納米結(jié)構(gòu)。由于該動態(tài)過程(即凝膠化和擴散作用)是各種聚合物材料的通用動態(tài)特性,因此本方法具有一定普適性?；诖朔椒ǎㄟ^控制界面擴散區(qū)的溫度梯度和擴散區(qū)域，可制備具有梯度結(jié)構(gòu)和圖案化的凝膠表面。由此形成的微/納米結(jié)構(gòu)表面不僅使得凝膠材料具有抗脫水作用，而且可作為毛細管系統(tǒng)發(fā)揮輸液作用。這項研究將為大規(guī)模開發(fā)多種功能化表面的凝膠材料指明了新的研究方向。

首先，將一定濃度的(5，7.5，10 wt%)PVA粉末在90°C下溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中。再將均勻溶液澆鑄到聚苯乙烯(PS)模具。PS基底可溶解在PVA/NMP溶液中，由此可在界面上形成一個相互擴散層，擴散時間可以控制擴散層的寬度。當(dāng)混合物的溫度降低時，由于PVA聚合物開始凝膠化，坍縮的PS鏈(底部)將從PVA凝膠中分離出來，因為NMP可以溶解PS，PS在PVA凝膠后保持液態(tài)，這使得PVA鏈在擴散層中可移動，隨著進一步的凝膠化，多尺度結(jié)構(gòu)表面即被固定。需要注意的是，這中微觀相分離并非結(jié)晶導(dǎo)致，而是PVA和溶劑NMP所形成的一種復(fù)合物，且在這一制備過程中，溶劑(NMP)對凝膠的形成、表面結(jié)構(gòu)的形成和保持以及該動態(tài)過程的加快起著關(guān)鍵作用。

成果展示

圖 1.PVA 凝膠的制備和結(jié)構(gòu)表征。

a) NMP、PVA、PS 和結(jié)合點（NMP和PVA）的分子結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的原理圖。b) 多尺度結(jié)構(gòu)化水凝膠表面的制造過程和形成機制的原理圖。c) 大尺寸(25cm×25cm)多尺度結(jié)構(gòu)化水凝膠表面的照片和相應(yīng)的SEM圖像。SEM圖像演示了在水凝膠表面構(gòu)建大面積多尺度結(jié)構(gòu)的擴散-凍結(jié)誘導(dǎo)微相分離。

圖 2.通過調(diào)整凝膠溫度和擴散時間來控制水凝膠表面結(jié)構(gòu)。

a) 由凝膠溫度控制的表面結(jié)構(gòu)。SEM圖(頂部)和PVA水凝膠3D光學(xué)輪廓圖像(中間)展示:A)+20°，B)+10°和C)0°b) 表面結(jié)構(gòu)由擴散時間控制。SEM(頂部)和PVA水凝膠3D光學(xué)輪廓圖像(中間)展示:D)0s,E)120s和F)240s。

圖 3.通過控制冷凍溫度梯度形成多尺度結(jié)構(gòu)化水凝膠表面。

a) 控制冷凍溫度梯度構(gòu)建多尺度結(jié)構(gòu)化水凝膠表面的原理圖。b) 原位紅外熱成像,用于監(jiān)測溫度梯度變化。c) 制備水凝膠表面的照片,溫度梯度從 +20 到 0 °C。d) 水凝膠表面的SEM圖像,其梯度結(jié)構(gòu)在相應(yīng)區(qū)域的變化,如(b)所示。e) 通過控制擴散區(qū)域制備所需圖案的水凝膠表面。

圖 4.平滑和多尺度結(jié)構(gòu)表面PVA水凝膠的液體傳輸和保水能力。

a) 黑暗環(huán)境中不同液體運輸行為的熒光照片(由羅達明B染色的水，香豆素6染色的DMF，苝紅染色的n-六溴二苯醚);液體可以在幾分鐘內(nèi)由整個多尺度水凝膠自發(fā)上升,并表現(xiàn)出強烈的熒光，而這種現(xiàn)象在平滑的水凝膠中未觀察到。b) 在脫水實驗中拍攝的多尺度結(jié)構(gòu)表面水凝膠和平滑水凝膠的照片。c) 在不同的時間下響應(yīng)的質(zhì)量（%）變化。在環(huán)境測試條件下(28 °C 和 濕度38%)12h，多尺度結(jié)構(gòu)化表面水凝膠的重量沒有明顯變化,而平滑水凝膠在 12h之后失去了大部分水，d)C-MSH 的制備原理圖。e,f) 12h前后的脫水實驗中的 SSH、MSH 和 C-MSH 照片。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201808217