近日，浙江大学生物系统工程与食品科学学院罗自生教授团队与浙江大学航空航天学院李铁风教授、杨栩旭特聘研究员团队合作，在《Science》上发表研究论文“Hydro-locking in Hydrogel for Extreme Temperature Tolerance”（图1，原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq2711）。

图1. 本文在Science期刊上发表的相关信息

水凝胶是一种由充满水的高分子网络组成的凝胶材料，果冻就是水凝胶的一种。水凝胶吸水会迅速溶胀并“锁住”大量体积的水，具有良好的柔性与生物可相容性，在医用仿生材料、食品智能包装、航天装备等多个领域有着广泛的应用前景。水凝胶的力学特性以及功能性与其中水的状态高度相关，温度剧烈变化会破坏水凝胶原有的性质。如何拓宽水凝胶承受温度的极限，增强其在极端环境下的稳定性，对于扩宽水凝胶的应用具有重要的意义。

该研究突破传统水凝胶制备范式，提出了一种具有通用性的“水锁”策略（图2a），利用硫酸作为锁水剂，强化水和聚合物的结合，并引入牺牲网络避免主体网络结构塌缩，使水分子固定在凝胶聚合物网络中。团队研究发现在使用硫酸浓度大于40 wt%时，溶液中的水分子被充分固定在凝胶网络中，此时，凝胶中的结晶相变被充分抑制，使得凝胶的耐受低温极限突破了硫酸溶液的结晶温度。在聚丙烯酰胺单网络水凝胶中，硫酸在高温下会反应并破坏水凝胶网络，使其液化失效，而在引入海藻酸钠作为“牺牲”网络，形成碳量子点附着并覆盖在聚丙烯酰胺主链上，防止其受硫酸进一步反应而破坏。基于该策略制备了能够在-115℃至143℃的温度范围内保持柔性的海藻酸钠/聚丙烯酰胺双网络水凝胶，在-100℃下碳化硫酸凝胶的断裂伸长率达到了约300 %，在140℃下的断裂伸长率达到了约400%，这极大拓宽了水凝胶的功能范围（图2b）。这种普适性方案可拓展至其他类型水凝胶体系，为极端温度条件下的材料乃至生命体保存和观测提供新思路。

图2 （a）基于Hydro-locking策略的水凝胶设计思路 （b）水凝胶在极端温度下的机械性能

该论文的共同通讯作者为浙江大学航空航天学院杨栩旭特聘研究员、李铁风教授和浙江大学生物系统工程与食品科学学院罗自生教授。共同第一作者为浙江大学生物系统工程与食品科学学院章晓晨博士、浙江大学新农村发展研究院/生物系统工程与食品科学学院李栋副研究员和浙江大学航空航天学院杨栩旭特聘研究员。航空航天学院交叉力学中心的杨卫院士对课题设计提供了理论指导。该项工作得到了国家自然科学基金杰出青年基金、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目等资助。