你见过遇热瞬间变硬、降温后又能“秒回”柔软的智能材料吗？这种科幻感十足的材料，正是科学家们近年来致力研发的热致硬化水凝胶。它能在高温下化身“钢铁侠”抵御冲击，冷却后又变回“皮肤”般柔软，堪称未来柔性机器人、自适应护甲的理想材料。然而，传统热致硬化水凝胶有个致命缺点——降温恢复太慢，动辄需要30分钟以上，严重限制了实际应用。
近日，东华大学武培怡、孙胜童团队在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表研究成果，提出一种“高熵相分离”策略，成功将热致硬化水凝胶的恢复时间从23分钟缩短至28秒，同时保持其遇热变硬的核心性能！这项突破如何实现？背后的科学原理又是什么？让我们一探究竟。
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热致硬化水凝胶：遇热变硬的“矛盾体”
传统材料（如塑料）遇热会变软，但热致硬化水凝胶却反其道而行——温度越高，硬度飙升。其秘密在于材料内部的钙离子交联网络：常温下，聚合物链松散缠绕，材料柔软可拉伸；加热后，钙离子与羧酸根结合更紧密，聚合物链脱水收缩，形成致密的玻璃态结构，硬度瞬间提升数百甚至上万倍。
然而，这种“硬汉模式”也存在代价：降温时，致密的玻璃态结构需要重新吸水溶解，过程极其缓慢。就像一块压缩饼干泡水，外层吸水膨胀后，内部仍干硬难化。传统水凝胶恢复需半小时以上，完全无法满足即时响应需求（如软体机器人快速变形）。
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高熵设计：给玻璃态结构“松松绑”
研究团队从高熵材料中汲取灵感。所谓“熵”，可理解为系统的混乱度。高熵合金等材料因原子排列高度无序，性能远超传统材料。团队将这一理念引入水凝胶设计：在聚合物网络中嵌入亲水单元（如丙烯酰胺），打乱钙离子交联簇的紧密堆积，形成拓扑结构更松散、相界面更大的“高熵玻璃态”。
打个比方，普通玻璃态像紧密堆叠的积木，拆解费力，而高熵结构像积木间插入了小球，留出更多缝隙，拆解时一推即散。实验中，添加20%丙烯酰胺的优化水凝胶，在80 oC下硬度仍能飙升760倍，但恢复时间仅需28秒！
图1. 高熵相分离热致硬化水凝胶的工作原理
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性能实测：柔软与刚韧的“一键切换”
常温性能：添加丙烯酰胺的水凝胶柔软如皮肤，可拉伸20倍并快速回弹，贴合各种弯曲表面。 高温性能：遇热后秒变“超硬材料”，承载1公斤重物毫无压力，抗冲击性能提升至474 J/m。 快速恢复：降温时，高熵结构加速吸水溶解，28秒内从玻璃态恢复柔软。
图2. 热致硬化水凝胶的力学性能
科学意义：为智能材料设计开新路
这项研究不仅解决了热致硬化水凝胶的软化恢复难题，更提出了“高熵相分离”这一普适性策略。通过调控材料微观拓扑结构，未来可设计更多快速响应、性能可调的智能材料，例如自适应护甲（遇撞击瞬间硬化，日常柔软舒适），软体机器人（热触发快速变形，执行复杂任务），可编程织物（随体温调节硬度，提供动态支撑）等。