你見過遇熱瞬間變硬、降溫后又能“秒回”柔軟的智能材料嗎？這種科幻感十足的材料，正是科學家們近年來致力研發的熱致硬化水凝膠。它能在高溫下化身“鋼鐵俠”抵御沖擊，冷卻后又變回“皮膚”般柔軟，堪稱未來柔性機器人、自適應護甲的理想材料。然而，傳統熱致硬化水凝膠有個致命缺點——降溫恢復太慢，動輒需要30分鐘以上，嚴重限制了實際應用。

近日，東華大學武培怡、孫勝童團隊在《國家科學評論》（National Science Review）發表研究成果，提出一種“高熵相分離”策略，成功將熱致硬化水凝膠的恢復時間從23分鐘縮短至28秒，同時保持其遇熱變硬的核心性能！這項突破如何實現？背后的科學原理又是什么？讓我們一探究竟。

1 熱致硬化水凝膠：遇熱變硬的“矛盾體”

傳統材料（如塑料）遇熱會變軟，但熱致硬化水凝膠卻反其道而行——溫度越高，硬度飆升。其秘密在于材料內部的鈣離子交聯網絡：常溫下，聚合物鏈松散纏繞，材料柔軟可拉伸；加熱后，鈣離子與羧酸根結合更緊密，聚合物鏈脫水收縮，形成致密的玻璃態結構，硬度瞬間提升數百甚至上萬倍。

然而，這種“硬漢模式”也存在代價：降溫時，致密的玻璃態結構需要重新吸水溶解，過程極其緩慢。就像一塊壓縮餅干泡水，外層吸水膨脹后，內部仍干硬難化。傳統水凝膠恢復需半小時以上，完全無法滿足即時響應需求（如軟體機器人快速變形）。

2 高熵設計：給玻璃態結構“松松綁”

研究團隊從高熵材料中汲取靈感。所謂“熵”，可理解為系統的混亂度。高熵合金等材料因原子排列高度無序，性能遠超傳統材料。團隊將這一理念引入水凝膠設計：在聚合物網絡中嵌入親水單元（如丙烯酰胺），打亂鈣離子交聯簇的緊密堆積，形成拓撲結構更松散、相界面更大的“高熵玻璃態”。

打個比方，普通玻璃態像緊密堆疊的積木，拆解費力，而高熵結構像積木間插入了小球，留出更多縫隙，拆解時一推即散。實驗中，添加20%丙烯酰胺的優化水凝膠，在80 oC下硬度仍能飆升760倍，但恢復時間僅需28秒！


高熵相分離熱致硬化水凝膠的工作原理

3 性能實測：柔軟與剛韌的“一鍵切換”

常溫性能：添加丙烯酰胺的水凝膠柔軟如皮膚，可拉伸20倍并快速回彈，貼合各種彎曲表面。
高溫性能：遇熱后秒變“超硬材料”，承載1公斤重物毫無壓力，抗沖擊性能提升至474 J/m。
快速恢復：降溫時，高熵結構加速吸水溶解，28秒內從玻璃態恢復柔軟。


熱致硬化水凝膠的力學性能

科學意義：為智能材料設計開新路

這項研究不僅解決了熱致硬化水凝膠的軟化恢復難題，更提出了“高熵相分離”這一普適性策略。通過調控材料微觀拓撲結構，未來可設計更多快速響應、性能可調的智能材料，例如自適應護甲（遇撞擊瞬間硬化，日常柔軟舒適），軟體機器人（熱觸發快速變形，執行復雜任務），可編程織物（隨體溫調節硬度，提供動態支撐）等。

來源: 《中國科學》雜志社