新型可重复使用可回收的环保水凝胶

普林斯顿大学的研究人员创造了一种新型水凝胶，它是可回收的，但仍然足够坚韧和稳定，适合实际使用(和重复使用)。

作为充满水的聚合物链的柔性网络，水凝胶具有柔软性、弹性和生物相容性等优异性能。因此，柔软的材料已经广泛用作隐形眼镜和伤口敷料。水凝胶在药物输送系统、农业和食品包装等领域也具有广阔的前景。

不幸的是，传统的水凝胶由于无法有效回收或再加工而造成环境污染问题。水凝胶也会因长期使用而降解。研究人员表示，这些限制源于材料的结构。

传统水凝胶的坚固性和吸收水和其他溶剂的能力依赖于化学键。在化学水平上，这些键是交联的，这意味着水凝胶内不同聚合物分子之间形成键。这种交联是经过固化或橡胶硫化的树脂的特征，赋予水凝胶柔韧性和强度。但这也使得它们极难分离成可回收的组件。

该研究的主要作者、博士后研究员XiaohuiXu之前曾研究过用于水净化的水凝胶，她想知道她是否可以创造出一种更加环境可持续的水凝胶。徐和她的同事采用了一种新方法来构建水凝胶。研究人员没有依靠化学键来连接不同的聚合物，而是决定利用相分离，这是一种常见的现象，混合液体(例如油和水)分离成组分。

普林斯顿大学化学与生物工程系波默罗伊和贝蒂·佩里·史密斯教授罗德尼·普里斯特利实验室的博士后研究员徐说：“水凝胶提供了巨大的社会效益，但它们缺乏可持续性已成为一个重大问题。”“在这项研究中，我们展示了如何利用相分离来生产出耐用、可回收且仍具有良好机械性能的新型水凝胶。”

研究人员在题为“通过脱水-水合循环的坚韧且可回收的相分离超分子凝胶”的研究中描述了这一过程，该研究于9月发表在《JACSAu》上。

为了制造这种新型水凝胶，研究人员配制了与水具有复杂且变化关系的聚合物。聚合物分子是较小分子(称为单体)的长链。研究人员创造了在链的某些部分亲水而在其他部分防水的聚合物。当他们向聚合物混合物中添加水时，部分聚合物吸收了水，而其他部分则排斥水。这种张力赋予了水凝胶结构强度。

与传统的水凝胶不同，其强度基于物理特性而不是聚合物之间的化学键。因此，将水凝胶回收成其组分聚合物相对容易，就像反复脱水和再水化材料一样。

徐说，更重要的是，该过程允许工程师通过调整聚合物的成分来定制水凝胶的特性。研究小组利用这一点创造了一种可以切割并模制成任何所需形状的水凝胶。为了进行这项研究，徐制作了一只章鱼。

该论文的资深作者、普林斯顿大学研究生院院长普里斯特利说：“小惠使用相分离作为控制这些水凝胶材料的形态和最终性能的一种方法。”“这项工作展示了一种制造坚韧且可重复使用的水凝胶的环保方法。”

普林斯顿大学的研究人员对这种新型水凝胶进行了测试，测试其在极端酸性和碱性条件以及空气和水中的稳定性。总体而言，水凝胶的表现符合预期。

通过额外的测试和开发，这种新型材料可以使水凝胶的现有和新兴应用(例如用于在人类周围安全操作的人造肌肉和软机器人)变得更加可持续和环保。

“我们对可回收水凝胶的一般方法可以帮助扩大其在各个领域的应用，”徐说。“现在可以更好地实现水凝胶的好处，而无需付出环境成本。”

徐说，从长远来看，研究团队正在探索水凝胶是否最终可以在许多应用中替代塑料。如果真是这样，先进的水凝胶可能成为威胁海洋的塑料污染的可回收解决方案。