冯伟教授课题组合作发表关于聚合物分子间作用力调控的论文
01 研究背景温度响应型水凝胶因其能对外界刺激产生物理化学性质变化，在生物医学、机器人及光学领域备受关注 。其中，具有下临界溶解温度（LCST）和上临界溶解温度（UCST）特性的水凝胶最为常见。然而，要在同一温度范围内实现LCST与UCST两种响应行为的快速切换，一直是该领域的一大挑战 。现有的系统大多只能表现出单一的相转变行为，限制了其在复杂逻辑控制和高级信息加密方面的应用。因此，开发一种能够通过第二种刺激（如pH）灵活切换温敏模式的智能水凝胶，对于提升材料的自适应性和多功能性具有重要意义 。 02 文章概述受分子间超分子相互作用的启发，中国科学技术大学的冯伟研究团队在《Advanced Functional Materials》上以题为“pH-Gated Switch of LCST-UCST Phase Transition of Hydrogels”报道了一种具有pH门控切换LCST-UCST相转变行为的新型水凝胶 。该研究利用聚（丙烯酸-共-丙烯酰胺）与羟丙基纤维素（HPC）之间的氢键作用，实现了对相转变模式的精准调控 。通过调节pH值，该水凝胶可以在“升温变混浊”（LCST型）与“升温变透明”（UCST型）之间进行可逆切换 。这种独特的性质不仅使其能够作为智能窗调节光线，还展示了其在高级信息隐藏与加密领域的巨大潜力 。冯伟教授和杨海洋副教授为论文的通讯作者，实验室特任副研究员何家庆和化学院周强博士为（共同）第一作者。论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202404341 03 主要内容1. PACA-HPC水凝胶的设计与pH响应机制。本研究的核心在于通过引入能与HPC形成强氢键的丙烯酸（AA）单体，赋予系统pH敏感性 。研究发现，HPC本身具有LCST行为 。在酸性条件下，丙烯酸的羧基发生质子化，与HPC形成强烈的分子间氢键，导致水凝胶在室温下发生相分离并呈现不透明状态；而升温会破坏这些氢键，使凝胶变透明，表现出UCST行为 。当环境变为中性或碱性时，羧基去质子化，氢键减弱，水凝胶回归HPC固有的LCST行为，即低温透明、高温不透明 。 2. 分子间相互作用的深度解析。研究团队利用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及密度泛函理论（DFT）计算，深入探讨了其内部机理 。DFT计算显示，HPC与丙烯酸之间的氢键强度（-11.78 kcal/mol）远高于HPC与水分子的氢键强度（-5.88 kcal/mol），这证实了羧基在介导相转变中的核心作用 。通过原位变温红外技术进一步观察到，在不同pH下，羟基和羧基峰的移动方向完全相反，从分子尺度验证了氢键形成与解离导致模式切换的逻辑 。 3. 优异的机械性能与稳定性。除了独特的响应性，PACA-HPC水凝胶还具备良好的力学支撑。实验表明，当HPC含量为10%时，水凝胶表现出极佳的柔韧性，拉伸率可高达1670% 。通过物理交联作用，材料在机械变形过程中表现出极低的滞后现象，能量耗散机制主要归因于分子链间氢键的牺牲与重组 。此外，水凝胶在多次pH和温度循环处理后，其相转变行为仍能保持高度的一致性 。 4. 智能窗应用：透明度的主动调控。基于这种pH切换特性，研究者开发了能够响应环境变化的智能窗原型 。在特定pH环境下，窗户可以在炎热的夏天通过LCST行为自动变色以遮挡阳光；而在寒冷的冬天，通过简单的化学调节，它又能转变为UCST模式，在升温时保持透明以获取热量 。这种自适应的光学性能为建筑节能提供了新思路。 5. 高级信息加密与存储。研究展示了一种巧妙的信息加密策略 。通过在同一块水凝胶的不同区域进行局部的pH图案化处理，可以制备出包含LCST和UCST两种区域的复合材料 。在室温下，某些信息可能是隐藏的；而当温度升高或降低到特定点位时，由于不同区域表现出截然相反的透明度变化逻辑，真正的加密信息才会浮现 。这种基于“双重模式切换”的策略极大提升了信息的安全性。 04 研究结论本研究成功开发了一种通过氢键策略调控的新型智能水凝胶，解决了单一材料中LCST与UCST响应模式难以灵活切换的难题 。通过精确控制pH，实现了水凝胶在同一温度范围内光学性质的逻辑反转。PACA-HPC水凝胶表现出优异的拉伸性能（>1600%）和高度可逆的相转变特征 。这一成果不仅在智能光学器件和节能窗领域具有广泛应用价值，更为多重刺激响应材料的设计和复杂信息安全防护提供了全新的实验依据 。 05 研究启示这项工作揭示了利用简单的超分子相互作用（如氢键）来解耦和重组复杂物理行为的可能性。其“pH门控”的概念可以推广到其他刺激响应体系中，为设计具有逻辑运算能力的智能材料提供了范例。未来，通过调整聚合物组分或引入更多的响应性官能团，这种材料平台有望在柔性传感器、自适应光学伪装以及生物检测等领域产生深远影响。 |