又软、又Q，“皮肤”般光洁，仿佛吹弹可破，嗯……我说的可不是软妹子，是比软妹子还要有用的——水凝胶。

    水凝胶这种柔软的材料，在生产生活中有着重要的应用，比如我们常吃的果冻、佩戴的隐形眼镜等等都是水凝胶的典型代表。在前沿的高分子学术研究中，水凝胶以其独特而又广泛可调的性质吸引着广大研究者的注意，而水凝胶科学也早已有着长足的进步。

    比如，近几年来比较火爆的“可塑交联体”概念与水凝胶结合，得到的水凝胶就有很多新颖的性质，如剪切变稀、自修复等功能，这些功能来自于分子结构的设计并充分利用了超分子化学作用。尽管有很多出色的研究成果，并且在概念上也证明了这些材料的可行性，但是这些研究体系往往很复杂，成本极高，无法在工业上规模化生产。

    来自斯坦福大学材料科学与工程系的Eric A. Appel与MIT化学工程系Robert Langer发明了一种可以规模生产的水凝胶材料，具有良好的剪切变稀等性质，并且可以应用于管道清洗、野外灭火等场景。该项研究成果发表在知名科学杂志《PNAS》上。

    科学设计

    研究者使用的原料为纤维素与硅胶纳米颗粒。纤维素来源环保、成本低、生物友好且又可在自然环境下降解，而硅胶纳米颗粒也同样是一种大规模使用的精细化学品。这就保证了材料生产成本低廉。二者在水溶液中混合会在自组装作用下形成凝胶三维网络，由于这种自组装作用并不依赖于化学交联，因此有着“剪切变稀”与“自修复”的效应。即在应力下，吸附在纳米硅胶颗粒表面的纤维素分子链与其脱离以耗散应力，宏观上凝胶则获得了流动效应，因此会“剪切变稀”。而一旦外力撤掉，二者的自组装作用使得其又形成三维网络，因此有着“自修复”的作用。值得一提的是，该材料在扩大规模生产后，力学性能指标并没有发生显著改变。

    ▲ 该水凝胶的机理（上）；水凝胶可以从0.5ML的实验室级别生产到15L的扩大规模生产（下）

    为了使得材料有着可以调节的性质，以满足不同的应用场景需要，研究者进行了多种筛选与探究。比如纤维素种类（甲基纤维素或是羟乙基纤维素）与分子量、配料浓度、投料比例等参数，都对产品性能力学性能有着影响。

    ▲ ABC为不同制样条件下的凝胶力学性能的对比；图DEF为某一种条件下得到材料的力学性能指标。

    新材料，新应用

    在简单且廉价地制备出这些材料后，研究者为它们找到了一些新的应用方向，这一回，他们决定玩一把“大”的。

    “大”体现在应用场景非常大。

    “星星之火，可以燎原”，毛主席用他的革命经验告诉我们，对于野外火灾，没有一款有效的灭火剂是多么的糟糕。而这个问题直到现在也没有非常完美地解决。目前常用的办法就是配制阻燃剂多聚磷酸铵的水溶液，在野外火场的空中播撒，缺点是颗粒太小容易随着横风扩散。

    研究者则创造性地将他们的水凝胶材料引入到了这种灭火剂的配方之中。由于水凝胶中包含了大量的水，并且其坠落效果更加明显，在燃烧物表面的存留时间也更长，因此更有利于野外火场使用，并且灭火效果更佳。

    ▲ 图A使用了该水凝胶配方的灭火剂用于野外火场救援。图CD为水凝胶灭火剂与常规多聚磷酸铵灭火剂效果的对比。

    此外，考虑到这种水凝胶具有良好的流动性，且无毒无害无气味，研究者还将其开发为食品工业的管道清洗剂，也收获了不错的效果。

    ▲ 将该水凝胶材料作为食品生产线管道的清洗剂，不会给食品带来额外的气味且清洗效果更佳，并有效回收管道中的残余食品。

    总之，这项研究利用最前沿的超分子化学进行材料分子设计，进而开发出真正有工业需求并有着规模化生产前景的产品，并且跳出了常规水凝胶研究的套路，将学术前沿与工业需要进行了有机结合，的确是一篇有着重要科学意义的研究！

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责任编辑：王元

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