浙大吴子良/郑强教授等合作在低温抗冻水凝胶材料方面获进展
大多数水凝胶在零度以下结冰，导致性能下降，应用受限。冷冻保护剂被广泛应用于提高水凝胶的抗冻性能;然而，也有缺点，如网络变化，机械性能降低，以及在水条件下低温保护剂泄漏的风险。
基于此，浙江大学郑强教授、吴子良研究员团队与北京理工大学材料学院贺志远教授合作报道了一种具有固有抗冻能力、超低温下优异光学和机械性能的玻璃态水凝胶。由聚丙烯酰胺-甲基丙烯酸制备的超分子水凝胶，具有中等的含水量(约50wt %)和密集的氢键缔合，在室温下呈玻璃态。由于氢键随着温度的降低而增强，该凝胶变得更强、更硬，但仍具有延展性，杨氏模量为900 MPa，抗拉强度为30 MPa，在-45℃时断裂应变为35%。这种凝胶即使在液氮中也能保持高透明度。由于羰基团簇的存在，它还显示出独特的磷光，在零度以下温度下进一步增强。进一步的研究表明，这种固有的抗冻性与大多数水分子被紧密地束缚在玻璃态基质中而变得不可冻结有关。以上研究以“Intrinsic Anti-Freezing and Unique Phosphorescence of Glassy Hydrogels with Ultrahigh Stiffness and Toughness at Low Temperatures”为题发表于Advanced Materials上。
该凝胶含水量约50wt%，室温下具有优异的力学性能。该凝胶在液氮中仍保持高度透明，表明具有优异的抗冻性能。相比之下，相同含水量的聚丙烯酰胺凝胶（PAAm）在低温下迅速结冰发白，力学性能变脆。 在室温下玻璃态凝胶内部的水分子已处于高度受限状态，从而抑制低温下冰核的形成；低温下仅有少量的水结冰，远低于常规PAAm水凝胶。这是由于 （1）凝胶网络中有大量氢键结合位点，降低了水分子的运动能力；（2）低温下氢键进一步增强，玻璃态网络的限域效应阻碍水分子成核结冰，从而处于不可冻状态，微量的自由水难以提供链段运动所需的自由体积，水凝胶因而在室温下仍处于玻璃态。 网络玻璃态与抗冻性能的关联性，为本征抗冻水凝胶的制备提供了新依据。
此外，P(AAm- co -MAAc)水凝胶由于氢键缔合体中羰基导致的簇发光，具有独特的低温发光行为。当温度从50 ℃降低到-80 ℃时，该凝胶的磷光强度与寿命显著增加。这是因为，随着温度下降，氢键逐渐增强，链段运动能力下降，从而抑制了非辐射跃迁，提高了发光效率。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300244