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中南民大張道洪教授/姜宇教授團隊 Macromolecules 封面論文：超支化結(jié)構(gòu)調(diào)控微相分離構(gòu)建高強韌水凝膠

2025-07-14 14:56:58 作者：本網(wǎng)發(fā)布來源：高分子科技分享至：

水凝膠是一類具備三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及良好的親水性的高分子材料，但水凝膠材料天生質(zhì)弱，強度低、韌性差，這大大限制了其應(yīng)用范圍。近日，中南民大超支化聚合物團隊張道洪教授、姜宇教授將超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引入水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，利用超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)控水凝膠微相分離，實現(xiàn)了高強韌水凝膠的高效構(gòu)建，相關(guān)成果以“Strong and Ultra-Tough Hydrogel with Hierarchical Cross-Linking Network Architecture Constructed by Hyperbranched Topological Structure”為題，發(fā)表在高分子科學(xué)頂級期刊Macromolecules上（Macromolecules 2025, 58, 6512−6523），并被選為內(nèi)頁封面。化材學(xué)院碩士研究生朱穎為論文第一作者，張道洪教授、姜宇教授為論文通訊作者，中南民族大學(xué)為論文第一署名單位。

本工作將具有不同拓?fù)鋮?shù)（支化度（DB）、支化點間距（S_n）、羧基官能度（f））的超支化分子引入聚丙烯酰胺-丙烯酸凝膠網(wǎng)絡(luò)中制備了具有不同超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水凝膠材料。研究表明，相比于線形結(jié)構(gòu)交聯(lián)的水凝膠，超支化大分子的引入能顯著提高水凝膠的力學(xué)性能，其拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量和斷裂韌性分別可達7.3 MPa、323%、34.23 MPa、19.5 MJ m^-3。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，通過調(diào)節(jié)超支化分子的拓?fù)?/span>結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠有效調(diào)控水凝膠的微相結(jié)構(gòu)。一方面，引入具有適中DB和S_n值的超支化分子所構(gòu)筑的水凝膠呈現(xiàn)出了最均勻致密的微相分離結(jié)構(gòu)和最優(yōu)的動態(tài)/非動態(tài)交聯(lián)平衡；另一方面，超支化分子中羧基官能度的增加，有利于形成更多的離子配位鍵和更均勻的疏水結(jié)構(gòu)域，這二者能夠協(xié)同提升水凝膠的機械性能。

圖1. 超支化水凝膠的設(shè)計與制備

圖2. 超支化水凝膠的機械性能表征

圖3. 超支化水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)表征

圖4. 超支化水凝膠的增強增韌機理

該水凝膠還展現(xiàn)出了優(yōu)異的非傳統(tǒng)熒光性能和導(dǎo)電性。水凝膠的熒光發(fā)射源于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中非傳統(tǒng)發(fā)色團的空間共軛效應(yīng)，且熒光強度與應(yīng)變呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，通過調(diào)節(jié)超支化分子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可精確調(diào)控水凝膠網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)，進而優(yōu)化材料內(nèi)部的離子傳輸路徑，最終實現(xiàn)水凝膠電導(dǎo)率的可控調(diào)節(jié)。鑒于上述特性，該水凝膠在傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，可實時感知人體關(guān)節(jié)的微小形變，并通過可視化信號定量反饋運動狀態(tài)，在智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

張道洪教授領(lǐng)銜的超支化聚合物團隊入選了湖北省自然科學(xué)創(chuàng)新群體、湖北省科技創(chuàng)新團隊和國家民委創(chuàng)新團隊。依托催化轉(zhuǎn)化與能源材料化學(xué)教育部重點實驗室和超支化聚合物合成與應(yīng)用技術(shù)湖北省工程研究中心，主要圍繞超支化聚合物“基礎(chǔ)理論-關(guān)鍵技術(shù)-工程化與應(yīng)用示范”創(chuàng)新鏈展開應(yīng)用基礎(chǔ)研究。近年來，團隊在超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控（Chem. Soc. Rev. 2024, 53, 624; Angew. Chem. 2022, 61, e202211713; Chem. Eng. J. 2020, 387,124071; 2018, 334, 1371）、超支化聚合物結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控（Adv. Mater. 2024, 36, 2308434; Angew. Chem. 2023, 62, e202310832; Prog. Mater. Sci. 2022, 130, 100977; Nat. Sustain., 2020, 3, 29; Macromolecules, 2022, 55, 595; Chem. Eng. J. 2023, 465, 142998 )、超支化聚合物循環(huán)回收利用(Nat. Commun. 2024, 15, 4869; Macromolecules, 2023, 56, 5290; Chem. Eng. J. 2023, 471, 144329; ACS Sustain. Chem. Eng. 2023, 11, 11077）等領(lǐng)域取得了一系列研究進展，促進了相關(guān)領(lǐng)域快速健康發(fā)展。