不列颠哥伦比亚大学姜锋教授团队最新AFM：葡萄糖--天然添加剂助力高性能凝胶制备

水凝胶作为当前最火热的材料之一，一直在各种应用领域受尽青睐。但其过高的自由水含量，让它的性能和应用场景都受到了限制。最近不列颠哥伦比亚大学姜锋（Feng Jiang）教授团队使用了生活中随处可见的葡萄糖成功解决了这些问题，并命名为“糖析法”，为目前主流的盐析法制备高强度凝胶提供了一个补充。此团队发现，葡萄糖的添加不仅有助于促进水凝胶网络的氢键和分子间相互作用，还能够将一部分自由水转化为结合水，赋予水凝胶出色的环境适应性。考虑其良好的力学，环境稳定性， 以及导电性，这种糖析法制备的水凝胶被制备成多功能传感器，在软机器人领域展现出巨大的前景。此外，在使用乙醇溶剂处理后，其凝胶表现出优异的光敏机械传感性能。此文作者通过机器学习模型建立了干涉色和力学拉伸精准的模型，为之后制备光敏机械传感器奠定了基础。值得一提的是，所有这些优秀特性都是通过添加绿色环保的葡萄糖实现的，无任何对健康和环境的负面影响。此论文以“Ultra-Stretchable and Environmentally Resilient Hydrogels Via Sugaring-Out Strategy for Soft Robotics Sensing”发表于 < Advanced Functional Materials>, 其第一作者为 Yuhang Ye博士，目前为宾夕法尼亚大学博士后研究员。

图1. 概念设计与假设验证。a) 材料设计策略的示意图；b) 分子动力学模拟快照，显示三种不同的水凝胶组成；c) 通过分子动力学模拟计算的氢键数量；d) 具有不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝胶的FTIR光谱；e) 具有不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝胶的放大1H NMR光谱；f) 具有不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝胶的DSC曲线；g) 具有不同葡萄糖含量的水/葡萄糖溶液的1H NMR光谱

图二. 在零下温度、环境条件和冻干条件下的环境耐受性。a) 具有不同葡萄糖含量的PAM-G水凝胶的离子导电性；b) 在25°C和−5°C下，PAM-G水凝胶（40 wt%）的离子导电性；c) 使用PAM-G（40%）水凝胶作为电路的一部分，LED灯的照明在25°C和−5°C的数字照片展示。d–f) 在环境条件下暴露24小时后，PAM和PAM-G水凝胶的剩余重量、机械性能和离子导电性的变化；g–i) 在冻干条件下暴露48小时后，PAM和PAM-G水凝胶的剩余重量、机械性能和离子导电性的变化。

图三。溶剂抵抗性差和大分子构象变化引起的干扰色。a) 在与乙醇交换后，PAM-G水凝胶的外观变化；b) 经乙醇处理后的PAM和PAM-G醇凝胶的机械性能；c) 示意图说明了溶剂差诱导的相分离过程；d) 在交叉偏振器下，不同应变下PAM-G醇凝胶的颜色变化；e-g) 机器学习模型，用于建立CIE X、Y值与指定误差条和相应应变之间的连续关系。

图四。多功能软机器人传感器的应用。a) 气动软驱动器的工作机制以及PAM-G水凝胶集成用于感知弯曲角度和接触力；b) 基于PAM-G水凝胶的应变传感器在软驱动器中对变化的施加压力的阻变；c) 压力、弯曲角度和相对阻变之间的相关性；d) 基于PAM-G水凝胶的压力传感器在软驱动器中对施加压力的阻变；e) 压力、力和相对阻变之间的相关性；f) 数字照片展示软抓手的构造和动作；g) 使用软抓手抓取不同物体，并通过基于PAM-G水凝胶的多功能传感器监测抓取过程；h) 软驱动器伸展的工作机制的数字照片和示意图；i) 在软驱动器伸展过程中，基于PAM-G水凝胶的应变传感器的阻变；j) 软驱动器伸展过程中压力、伸展和相对阻变之间的相关性。

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