北航刘明杰教授&刘克松教授AM：扩散-冷冻诱导的微相分离用于大面积制备具有多尺度结构的水凝胶表面

【引言】

大多数生物组织的表面都存在着凝胶层，尤其是其表面的微/纳米结构在它们的生命活动中起到了重要作用。例如，鲤鱼和海藻由于其表面存在着微/纳米结构的水凝胶材料，因而可以保持自己良好的水下超疏油防污染特性。受天然生物材料的启发，构建水凝胶基材料的结构化功能表面已成为研究人员满足新型功能材料日益增长的需求的最有前途的解决方案之一。目前的制备策略主要集中在表面化学改性、模板复制、光刻法、激光扫描和3D打印。然而，这些方法由于制造工艺复杂，模板制作的特殊性，严重的限制了水凝胶表面结构的大面积制备和实际应用。

【成果简介】

北京航空航天大学的刘明杰教授和刘克松教授（共同通讯作者）报道了在凝胶形成过程中直接在相容性聚合物扩散层中构建微纳米结构水凝胶表面的一般策略，其依赖于聚合物链扩散和随后的冷冻诱导凝胶化和微相分离的相互作用。所提出的方法利用两个可混溶聚合物的界面，其中一个需要进行凝胶化过程。这一策略是通过两个连续的过程来实现的，即扩散驱动混合过程，然后是冷冻诱导凝胶化和微相分离的过程。前者形成扩散层，而后者在扩散层中产生结构。凝胶化与微相分离结合，最终决定了凝胶表面上的微/纳米结构。同时，水凝胶表面的梯度结构和图案的表面结构可通过控制凝胶化温度和扩散区域来控制。相关成果以Diffusion–Freezing‐Induced Microphase Separation for Constructing Large‐Area Multiscale Structures on Hydrogel Surfaces为题发表在国际著名期刊Adv. Mater. 上。

【图文导读】

图1.聚乙烯醇（PVA）水凝胶的制备和结构表征

a.N-甲基吡咯烷酮（NMP）、聚乙烯醇（PVA）、聚苯乙烯（PS）和交联点的结构及其相应的示意图。

b.多尺度结构的凝胶表面的制备过程和机理。

c.25 cm × 25 cm的多尺度结构的水凝胶表面的照片和相应的SEM图。

图2.通过调整凝胶化过程的温度和扩散时间控制水凝胶表面的结构

a.由温度控制的PVA水凝胶表面结构的演变。PVA水凝胶表面的SEM图（上）和三维光学显微镜图像（中）：A) −20 °C, B) −10 °C, C) 0 °C。下面为3D显微镜图片中黑色线所对应的截面的高度变化曲线

b.由扩散时间控制的PVA水凝胶表面结构的演变。PVA水凝胶表面的SEM图（上）和三维光学显微镜图像（中）：D) 0 s, E) 120 s,  F) 240 s。下面为3D显微镜图片中黑色线所对应的截面的高度变化曲线

图3.通过控制凝胶化过程的温度梯度和扩散区域构筑多尺度结构的水凝胶表面

a.通过冷冻温度的梯度制备多尺度结构的水凝胶表面的示意图。

b.原位红外热成像监测温度梯度的变化。

c.通过−20 ~ 0 °C的温度梯度制备的水凝胶表面的照片。

d.图b中相应区域的水凝胶表面SEM图。

e.通过控制互相扩散的区域获得具有所需图案的水凝胶表面。

图4.光滑的、多尺度结构表面的PVA水凝胶的液体输送和保水的能力

a.不同液体分别在罗丹明B染过的水、香豆素6染过的DMF、Lumogen Red染过的n-十六烷中进行液体输运的荧光照片。

b.脱水过程中的多尺度结构表面的、光滑的水凝胶的照片。

c.不同脱水时间光滑表面结构和多尺度表面结构水凝胶的质量变化曲线。

d.功能性水凝胶表面（C-MSH）的制备的示意图。

e，f.脱水测试前后的光滑表面水凝胶（SSH）、多尺度结构的水凝胶（MSH）和功能化水凝胶（C-MSH）的照片。

【小结】

研究团队利用简单的策略构建大面积的多尺度结构的水凝胶表面。这种多尺度表面结构在空气中具有亲水性，在油中具有超疏油性，水下对油具有超低的粘接力。而且，他们还制备了具有梯度结构和图案化的水凝胶表面。这些微米/纳米结构表面能形成毛细管系统，使液体沿垂直方向进行输送。这项研究也为大面积地制备多功能水凝胶表面结构提供了新的思路。

文献链接：Diffusion–Freezing‐Induced Microphase Separation for Constructing Large‐Area Multiscale Structures on Hydrogel Surfaces（Adv. Mater. ,2019,DOI:10.1002/adma.201808217）

本文由kv1004供稿。