水凝胶

DSC测试结果(图2g)显示，KCWO/PNIPAM水凝胶的LCST为35.12°C，与纯PNIPAM水凝胶的34.96°C非常接近，说明纳米颗粒对水凝胶相变温度影响很小。

IIKPP智能窗的被动调控-KCWO/PNIPAM水凝胶层

IIKPP智能窗的被动调控-KCWO/PNIPAM水凝胶层图2(a)展示了KCWO/PNIPAM水凝胶的制备过程与结构特征。

图2(a)展示了KCWO/PNIPAM水凝胶的制备过程与结构特征。

该复合水凝胶具有独特的互穿网络结构，由PVA分子链与NIPAM单体相互缠绕形成，显著提升了水凝胶的稳定性。

a丝素蛋白水凝胶制备过程示意图。

bSF-FA溶液、MXene/SF-FA分散液及丝素蛋白水凝胶的傅里叶变换红外光谱(FTIR)图。

c丝素蛋白水凝胶酰胺I带FTIR光谱的分峰拟合结果。

dSF-FA溶液与丝素蛋白水凝胶中β-片层、无规卷曲/α-螺旋及β-转角结构的含量对比。

e丝素蛋白水凝胶的强度与杨氏模量。

与此同时，丝素蛋白链的微相分离导致丝素蛋白水凝胶中致密相和稀疏相的分离(图3a3)。

值得注意的是，更多的丝素蛋白(SF)链能够通过增强分子间相互作用和二级结构来提升丝素蛋白水凝胶的力学性能(图3e)。

北京化工大学张好斌等：可编程MXene/丝素蛋白水凝胶具有优异的电磁屏蔽性能与高效水蒸发能力北京化工大学张好斌等：可编程MXene/丝素蛋白水凝胶具有优异的电磁屏蔽性能与高效水蒸发能力精选

由于亲和性变化，溶剂交换引发丝素蛋白(SF)链的微相分离和自交联，从而形成丝素蛋白水凝胶(图3a)。

微计算机断层扫描(Micro-CT)图像清晰展示了丝素蛋白基油包水型皮克林乳液水凝胶(SM(O/W)，φ=0.4)及其衍生气凝胶的整体内部蜂窝状结构(图1d)。

(d)在PBS中浸泡7、15和30天后，水凝胶模量的变化。

这些由导电水凝胶构成的表皮电极，其特性与天然皮肤相似，包括柔软性、保湿性和可塑性。

随着生物医用材料在可植入设备、药物传输和组织工程等领域的快速发展，如何构建既稳定、又具功能性的新型水凝胶材料，成为科研界关注的焦点。

相关成果为高性能、长效型水凝胶材料的设计提供了新思路，为其在医疗器械涂层、植入物界面润滑以及组织工程支架等多领域的临床转化应用奠定了坚实基础。

同时，所采用的纳米粒子构建策略具有良好的通用性和拓展性，为新一代功能性水凝胶材料的设计提供了全新思路与技术支撑。

综合分析表明，NCGs具备不依赖温度的不溶胀行为，这种性能在多种体内环境模拟条件下均表现出优异的结构稳定性，远优于常规水凝胶材料。

该策略为新一代功能性水凝胶材料的稳定性与应用拓展提供了全新的设计路径和实践基础。

制备纳米纤维/水凝胶复合材料的方法包括四种：(1)在纳米纤维膜上旋涂/滴涂水凝胶材料；

团队利用水凝胶单体N-丙烯酰基氨基脲(NASC)、丙烯酸(AAc)、丙烯酰胺(AAm)之间的多种强弱氢键之间的协同作用和微相分离过程，制备了具有可调机械性能的柔韧水凝胶材料(图1c和1d)。

应用前景广阔：依托借助超分子水凝胶材料优异的柔韧性，结合仿章鱼触手的多级仿生结构，研究进一步集成了具有高度仿生结构的水凝胶抓取器。

该材料的力学性能可精准调控，解决了传统水凝胶“柔性与强度难以兼顾”的问题，为3D打印功能水凝胶材料的设计提供了新范式。

该组数据表明，所制备的水凝胶材料同时兼具高柔韧性与结构稳定性，可满足软抓取场景对材料力学性能的多重需求。

机制解析：基于水凝胶材料的多孔结构和富含极性水分子的独特优势，本研究通过聚电解质重构水分子氢键网络，并结合MXene/ANF的介电梯度效应，成功解决了高导电水凝胶材料EMWs吸收效能不足的关键问题。

(d)优化后的超分子水凝胶机械性能。

AAc的引入能够有效地将PNASC水凝胶的机械性能从塑性调节为弹性，这是由于P(NASC-co-AAc)水凝胶中尿基-尿基以及尿基-羧基之间的非协同氢键相互作用的存在。

通过调控三种单体之间多重强弱氢键的相互作用强度与分布，可实现超分子水凝胶机械性能的可控优化，进而获得适用于软抓取器的“柔软-坚韧”平衡型材料。

(a)水凝胶抓取器的操控系统示意图。

(b)水凝胶抓取器的剖面图。

(c)水凝胶抓取器的工作过程图。

(d)单臂、双臂、多臂水凝胶抓取器的多功能演示图。

(e)水凝胶抓取器系统的多功能演示图。

V仿生章鱼水凝胶抓取器的水下抓取和操控演示

仿生章鱼水凝胶抓取器的多功能演示。

(b)水凝胶抓取器的设计原理和液压驱动机构示意图。

(e)水凝胶抓取器操控蛋黄等水下超软物体的示意图和照片。

I仿生章鱼水凝胶抓取器的设计和制造

为了突破这一技术困境，受章鱼吸盘漏斗结构和柔性触手的启发，中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员团队以自然界中章鱼的漏斗吸盘结构与柔性触手为仿生原型，创新性地将多氢键介导的超分子水凝胶与光固化3D打印技术深度融合，成功开发出一款具备自适应操控能力的液压驱动水凝胶抓取器。

受章鱼启发的自适应水凝胶抓取器的设计制造流程图。

吉大李云峰等：不溶胀润滑纳米胶体水凝胶的性能突破，助力生物材料稳定性与功能性“双提升”吉大李云峰等：不溶胀润滑纳米胶体水凝胶的性能突破，助力生物材料稳定性与功能性“双提升”精选

图2e呈现成胶相图，指出NPs浓度和DS(取代度)越高，越有利于水凝胶形成。

为获得柔软特性，引入AAm构筑P(NASC-co-AAm)水凝胶，利用尿素和氨基之间的弱氢键相互作用调节机械性能，却因弱氢键的过度存在，导致水凝胶的强度、模量和韧性显著下降。

(b)X波段水凝胶的平均EMISER、SEA和SET；

(f)Dry-A5M1.5PC和A5M1.5PC水凝胶平均EMISER、SEA和SET对比；

(g)Frozen-A5M1.5PC和A5M1.5PC水凝胶平均EMISER、SEA和SET对比。

PGEH电极展现出卓越的长期稳定性与信号质量：在ECG监测中，能够清晰呈现PQRST波形，连续佩戴24小时后，性能仍与全新商用电极相当(图5f)，且14天后平均信噪比仍高达25.2dB(图5g)，远超商用电极(后者在12小时后即显著衰减)。

这种水凝胶展现出卓越的性能，包括1643%的拉伸率、366.54kPa的高抗拉强度、350.2KJ/m3的韧性以及相对较低的机械滞后性。

为阐明水分子对EMI屏蔽效能的作用机制，对比分析了干燥态与冷冻态复合水凝胶的屏蔽性能。

同时，通过调控功能性水凝胶的微观结构，显著提升了其质量/热传递性能：丝素蛋白的氨基酸基团与MXene的表面终端基团协同降低水蒸发焓，而水凝胶的层级结构加速了蒸发过程，使其蒸发速率(~3.5kgm⁻2h⁻1)与耐盐性能远超其他水凝胶蒸发器。

近年来，研究人员致力于解决导电填料与聚合物基体间的界面不相容性问题，该问题严重阻碍了纳米填料的均匀分散及水凝胶层级结构的可控构筑。

天然水凝胶如壳聚糖、纤维素等具有生物相容性和可降解性，而合成水凝胶如聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAAm)则具有更长的保质期和更好的机械强度。

(4)通过双喷嘴静电纺丝技术，一步法制备纳米纤维/水凝胶复合材料。

(l)TPAMH纳米纤维状水凝胶复合材料的制备；

2.1纳米纤维/水凝胶复合材料作为最常用的电子皮肤传感器形式，水凝胶具有与人体组织相似的高含水量和可变机械性能等固有特性。

将水凝胶与纳米纤维相结合，可以有效提高水凝胶的稳定性、可恢复性和耐久性，而所得纳米纤维/水凝胶复合材料的复合性能(优异的机械特性和拓扑结构)使其在传感应用中具有广阔前景(图4)。

纳米纤维/水凝胶复合材料。

同时利用光固化3D打印技术，构建出仿生水凝胶吸盘。

这种无人水下航行器能够通过水凝胶吸盘结构在水下倾斜/水平木板表面实现接近、驻留、和脱离操作(图6b、c)。

(b)具有不同曲率膜的水凝胶吸盘粘附强度。

(c)PNASC、PNASC-co-AAc、PNASC-co-AAm和PNAA水凝胶吸盘的粘附强度。

(e)水凝胶吸盘在表面粘附和释放的粘附力曲线。

(f)水凝胶吸盘在不同施加压力、预载荷、基底和粗糙度表面的粘附性能。

(g-h)超分子水凝胶吸盘水下环境抓取和释放演示图。

III粘附可切换的仿生章鱼水凝胶吸盘

中国科学院兰州化物所王晓龙等：仿生水凝胶吸盘实现多场景自适应粘附与抓取中国科学院兰州化物所王晓龙等：仿生水凝胶吸盘实现多场景自适应粘附与抓取精选

凹面：K<0)的该仿生水凝胶吸盘均展现出优异粘附性能(图3b)。

如图3a所示，章鱼启发的可切换水凝胶吸盘(直径7毫米)由具有受控曲率的主动膜(红色)和结构柄(黄色)组成。

如图3g、3h所示，水凝胶吸盘能够在水条件下轻松抓取和释放具有各种形状和特征的物体，包括具有平面和曲面的不锈钢，以及具有曲面的玻璃和塑料。

性能测试显示(图3e)，该仿生水凝胶吸盘的粘附力达1.08±0.03N，且可通过调节压差与预加载力实现精准调控。

此外，将水凝胶吸盘与水下无人航行器、六足机器人相结合，使其获得了操控物体、水下驻留、水下爬行等特殊功能。

超分子水凝胶吸盘的可切换粘附性能。

值得注意的是，低模量PNAA0.5-1/3水凝胶制备的装置，其最小驱动压力仅需35.18±2.53kPa，显著降低了驱动能耗。

如图3c所示，对比实验表明：由PNASC、P(NASC-co-AAc)及P(NASC-co-AAm)水凝胶制备的吸盘，因材料刚度不匹配难以建立稳定接触，故粘附力显著较低；

而采用机械性能优化的PNAA水凝胶制备的吸盘，可实现更优的粘附强度，印证了材料力学性能与吸盘功能的适配性。

III水凝胶内部低水传输阻力，增强蒸发和再生

SEM显示水凝胶内部为直径约10μm的垂直微通道，气凝胶则为蜂窝状垂直孔壁结构。

受人体皮肤结构的启发，通过利用水凝胶内部和外部的双重定向结构，开发了一种各向异性的隔热-辐射-蒸发冷却器。

水凝胶内部和外部的双重排列以及它们在疏水性方面的巨大差异使得热(辐射和传导)和水(液体和蒸汽)传输能够协调优化，协同促进白天的高冷却能力和夜间的水自我再生。

SCM(O/W)水凝胶的互连开孔结构实现了水蒸气的快速逸出和水凝胶内部的高效热均化。

f电磁波谱中应用的微波和可见光波段，以及g由SM(O/W)水凝胶内部结构主导的性能(电磁干扰(EMI)屏蔽和光热转换)调控机制。

开放的多孔通道显著加速了质量与热在水凝胶内部的传递过程，从而实现了高效的能量转换。

因此，受皮肤结构(具有垂直汗腺和毛发以有效散热)的启发，我们利用吸湿性水凝胶内外的双重对齐结构来实现热量和水分的协调输运，开发出了一种ASPIRE冷却器，如图1d所示。

作为最常用的电子皮肤传感器形式，水凝胶具有与人体组织相似的高含水量和可变机械性能等固有特性。

图4d说明HAMA-28NPs构建的水凝胶在PBS中浸泡30天后，其G'与G''基本未变，体现出水凝胶优异的结构与力学稳定性。

该材料通过纳米级疏水结构域与光交联机制，构建出高度稳定的纳米网络结构，赋予水凝胶优异的不溶胀性、抗降解性、超低摩擦性能与良好生物相容性。

(ii)水凝胶与环境之间的高传导热阻，以实现低环境热增益；

(iii)水凝胶与环境之间的低水蒸气传输阻力，以实现高蒸发冷却能力；

图1a展示了热和质量传输方面的设计原则，包括：(i)水凝胶与环境之间的高辐射热阻，以实现高长波红外发射和低太阳热增益；

外部气凝胶“毛发”由垂直排列的疏水性h-BN和交联羧甲基纤维素(CMC)-PVA(XCP)基质构成，具有较高的长波红外发射率、较高的太阳反射率和较低的热导率，从而增强了水凝胶与环境之间的辐射和传导热阻，有助于提高发射功率，同时降低太阳和环境的热增益。

5PC水凝胶EMI屏蔽性能的照片；