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  離子介質(zhì)交換或離子響應(yīng)現(xiàn)象廣泛存在于生物界中。例如人體肌肉細(xì)胞收縮過(guò)程中存在Na⁺和Ka⁺的交換；廣鹽性魚(yú)類由于自身的滲透調(diào)節(jié)，能適應(yīng)不同鹽度的水環(huán)境。離子響應(yīng)型水凝膠是一類具有離子響應(yīng)性質(zhì)的高分子材料，該材料在仿生穿戴、軟體機(jī)器人和鹽差能轉(zhuǎn)化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，目前大多數(shù)離子響應(yīng)型水凝膠的工作環(huán)境多在0.5M-2M（例如NaCl溶液），高濃度的液體工作環(huán)境會(huì)帶來(lái)脫鹽慢、易礦化和泄露風(fēng)險(xiǎn)。因此，開(kāi)發(fā)低濃度中對(duì)離子快速響應(yīng)的水凝膠具有重要意義。

  北京工商大學(xué)高海南副教授課題組通過(guò)聚電解質(zhì)和兩性離子聚合物鏈段(PNA和PDMAPS)的無(wú)規(guī)共聚，開(kāi)發(fā)了一種離子響應(yīng)型水凝膠，該水凝膠在0-0.6 wt% NaCl溶液中，體積變化近60倍（圖1）。水凝膠在純水和低濃度鹽溶液中平衡時(shí)，能夠在聚合物鏈段內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)可逆交聯(lián)，離子控制的動(dòng)態(tài)可逆交聯(lián)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)膨脹性能的調(diào)節(jié)（圖2），同時(shí)也影響著材料的微觀孔徑和力學(xué)性能（圖3）。進(jìn)一步進(jìn)行了拉曼實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了聚合物鏈段在離子誘導(dǎo)下的動(dòng)態(tài)交聯(lián)（圖4）�；�N2S8水凝膠在低濃度鹽溶液中體積超敏感性質(zhì)，設(shè)計(jì)了具有快速響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)的可視化離子濃度檢測(cè)裝置（圖5）。檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)濃度對(duì)比，誤差小于0.17 wt%。此外，基于N2S8水凝膠在水中和鹽溶液中的動(dòng)態(tài)可逆交聯(lián)帶來(lái)的宏觀體積變化，還設(shè)計(jì)了具有自動(dòng)傳感和執(zhí)行功能的智能液體閥門(mén)（圖6），該智能液體閥門(mén)可在低濃度溶液中(0.01-0.6wt%)快速響應(yīng)，且在18個(gè)循環(huán)內(nèi)流量穩(wěn)定。證明了N2S8水凝膠閥在調(diào)節(jié)和控制液體泄漏和液體輸運(yùn)方面的巨大潛力。

圖6 基于N2S8水凝膠組成的智能離子響應(yīng)閥門(mén)。

  論文鏈接：https://www.sciengine.com/SCMs/doi/10.1007/s40843-023-2688-y