水凝胶通过水力锁定策略实现了极端的温度耐受性水凝胶是由水填充的交联聚合物网络构成的材料，广泛应用于组织工程、柔性电子设备和软机器人等领域。通过增强聚合物网络，水凝胶可以变得非常可拉伸且坚固。然而，与弹性体不同，水凝胶的柔韧性依赖于水分子。当温度变化时，水分的蒸发或冻结会导致水凝胶变硬变脆。为了保持水凝胶的机械性能，关键在于锁住水分子并保持其流动性。目前，常用的方法是用其他液体替代水，如离子液体或非挥发性有机化合物，以提高水凝胶的相变温度。虽然离子液体凝胶可以扩展温度范围，但它们容易吸湿，导致性能随时间下降。水溶液可以通过添加其他成分来提高水的转换屏障，降低冻结温度，但其高温阈值通常低于80°C。在这些替代溶剂的水凝胶中，水分子仍然处于流动状态，容易结冰或流失，从而使聚合物网络变得脆弱。在此，浙江大学罗自生教授、杨卫院士、李铁风教授和杨栩旭副研究员提出了一种名为“水力锁定”的新策略，通过将水分子牢固地固定在水凝胶的聚合物网络中来实现。这一策略利用硫酸在水分子和聚合物之间建立强连接，并通过引入牺牲网络来保护主聚合物网络免受破坏。在“水力锁定”模式下，藻酸酯-聚丙烯酰胺双网络水凝胶在-115°C到143°C的极端温度范围内仍能保持柔软和可拉伸的特性。这一策略适用于多种水凝胶和溶液，能够在极端温度下保存和观察材料，甚至可用于生物样本的研究。相关成果以“Hydro-locking in hydrogel for extreme temperature tolerance”为题发表在《Science》上，第一作者为Xiaochen Zhang，Dong Li和杨栩旭为共同一作。水力锁的设计和准备在这项研究中，作者通过“水力锁定”策略提高了水凝胶的稳定性，使其在温度范围内比水溶液更具稳定性。在这种策略下，大多数水分子被牢牢固定在水凝胶的聚合物网络中，防止其蒸发或结冰。作者使用硫酸与聚合物的离子相互作用和氢键结合，表现出强大的结合能力（图1A）。硫酸分子通过与聚合物链上的羟基反应，替代质子基团，与聚合物结合。在实验中，作者选择了藻酸酯-聚丙烯酰胺双网络水凝胶（DN-GEL）作为模型材料，并用硫酸处理以实现水力锁定（图1A）。通过与不同浓度的硫酸溶液反应，硫酸分子与聚合物链发生反应，形成糖基聚合物链的片段和分支结构（图2A）。随后，作者将这些水凝胶在60°C下烘烤48小时，形成完全碳化的硫水凝胶（CS-Gel），在其中藻酸盐链进一步降解，防止水凝胶塌陷（图3）。水力锁定的表征和验证水力锁定策略使水凝胶中的相变被显著延迟。差异扫描量热法结果表明，S-Gel和CS-Gel在-123°C和-115°C时分别表现出独特的玻璃过渡转变（图1B），这些相变温度比硫酸-H2O二进制系统的最低冷冻温度低42°C。硫酸溶液的加入抑制了水凝胶中的成核过程，进一步降低了相变温度，并消除了水的蒸发现象。DSC数据显示，在143°C时水凝胶显示出放热峰，而不是吸热峰，表明水凝胶在-115°C到143°C之间没有发生相变。通过对不同浓度硫酸处理的S-Gel进行比较，发现随着硫酸浓度的增加，水的迁移率降低（图1C），并且冷结晶过程（TCC）和冰结晶温度（TF1）逐渐降低。当硫酸浓度足够高时（如S40凝胶），相变峰消失，仅保留了玻璃过渡温度（TG），表明硫酸分子已在聚合物网络中固定水分子，成功实现了水分子的锁定。