科学家为实现高精度滑结构水凝胶打开了大门

水凝胶由于在大气中不间断的蒸发，不可避免地会发生脱水、结构塌陷和收缩变形，从而失去其柔韧性、滑性和制造精度。

该研究发表在《国际极限制造杂志》上，展示了如何高精度制造一种光滑、柔软的材料，其中水分子容易蒸发，但仍然可以很好地用高保真结构功能材料实现。

但这一发现也可能非常有用。如果你想发明一些革命性的东西，这个过程通常首先从发现一种全新的材料开始。

“原则上，这开辟了一种全新的软物质的设计和构造，它们湿润、润滑、易于成型，并且在大气条件下耐脱水，”中国科学院国家重点实验室教授王小龙说。中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑研究所研究员，该研究的资深作者。 “本质上，它为极其重要的生物润滑材料和高精度加工技术提供了新的可能性，”该论文的第一作者刘德胜(研究助理)说。

水凝胶是一种具有亲水性三维交联网络结构的软材料，由于其柔韧性、机械可调性、生物相容性、润滑性等。

迄今为止，最古老的方法，如吸湿盐和二元水-有机混合溶剂已被引入本体水凝胶中，通过提高水的蒸发焓来抑制环境条件下的水蒸发。尽管脱水耐受性得到改善，但通过这些方法构建的水凝胶不可避免地容易改变润湿性、润滑性、力学甚至水合作用等性能。

这是有利的，因为这些材料比传统的硬质材料更灵活且更难以加工，但问题是它们不太稳定;如果暴露在空气中或温度过高，它们就会失去灵活性。

鉴于人类皮肤“保水”的生物结构，本文报告了一种新颖的仿生策略，将海藻糖引入水凝胶网络以形成海藻糖诱导的氢键相互作用。海藻糖和水之间的相互作用可以在大气中生成具有脱水耐受性的表面层，从而形成柔韧且光滑的水凝胶。

随后，刘开始尝试一些多年前发现的天然保湿因子材料，但基本上被忽视了。他将海藻糖制成水溶液，制成水凝胶感光油墨和结构化水凝胶材料，然后开始测试其干燥性能。因此，海藻糖还可以通过引入强氢键相互作用来充当水凝胶的有效保水剂，以保留大气中的固有特性。

令科学家惊讶的是，将海藻糖引入水凝胶中可以显着提高其抗脱水性、润滑性能、机械性能和制造精度。更重要的是，它非常稳定。“海藻糖分子上的大量羟基和长聚合物链上的众多极性基团形成的强共价氢键相互作用可以赋予光滑水凝胶优异的延展性和耐干燥性，”刘说。这对于必须在现实环境中运行的光滑、柔软的材料设备非常有帮助。

但对科学家来说，最引人注目的是这种柔软的材料含水。Wang说：“将还原光聚合3D打印和海藻糖改性水凝胶相结合，由于克服了制造过程中干燥引起的收缩和塌陷变形，可以在宏观层面上实现具有理想分辨率、复杂几何形状和可定制微结构的各种立体水凝胶。” “作为概念验证演示，创建了高精度水凝胶血管模型来模拟导丝干预”。

对于光滑的水凝胶材料来说，这一结果是前所未有的。“它就像人的皮肤一样，可以有效锁住水分，防止水分过度蒸发，从而具有良好的耐脱水能力， ”王说。

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