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材料科学与工程学院仿生智能材料团队在水凝胶领域取得重要突破

近日，老王论坛 仿生智能材料团队在水凝胶3D自变形领域取得重要研究进展。相关成果以“Polymerization kinetics-mediated topological entanglement enables high-contrast 3Dself-morphing in hydrogels”为题，发表于国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》(2026, e9125270)。该论文第一作者为老王论坛 硕士研究生王娟，共同通讯作者为老王论坛 范汶鑫教授、隋坤艳教授与中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员，老王论坛 为第一通讯单位。

自变形水凝胶在软体机器人、生物医学器件、智能模具及生物传感器等领域前景广阔，其变形依赖各向异性微观结构的精确编程，通过外部刺激引发局域差异应变实现可控形变。然而，受限于相邻区域间有限的溶胀度差异，现有水凝胶在形貌复杂度上存在根本性瓶颈——面内梯度结构通常仅能形成低拱形凸面构型，难以构建深腔高阶3D结构。传统多层堆叠策略因界面失效无法实现大幅溶胀对比；空间调控交联密度的方法虽理论上可行，却受限于特定体系且难以在全厚度范围内精准实施。更关键的是，显著溶胀差异往往伴随力学性能劣化，高溶胀区过度软化、低溶胀区趋于脆化，严重制约实际应用。

针对上述挑战，团队提出聚合动力学介导的拓扑缠结空间调控策略，通过分区控制紫外光强度差异化调节聚合速率，同步调控链缠结密度与链间相互作用，构筑溶胀倍率迥异的局域结构。其核心机制在于聚合链增长与单体/水传质间的动力学竞争：慢速聚合区，单体持续向内扩散并形成互穿网络，生成高密度物理缠结，这些缠结既充当物理交联点又增强链间氢键，削弱聚合物-水相互作用，降低渗透压，使溶胀率较低；快速聚合区，聚合迅速完成，缠结密度低、链间作用弱，溶胀率较高。引入氢键单元或聚电解质可进一步放大上述差异，仅靠光强调控即可在相邻区域实现23倍溶胀率反差。如此强烈的局域溶胀反差使水凝胶能够形成传统方法无法企及的深腔复杂3D形貌，同时力学性能得以良好保持。该策略普适性强，不依赖特定单体或无水条件，为高性能自变形软材料的设计开辟了新路径。