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北京工業大學趙治、宋曉艷教授團隊《Chem. Mater.》：貝類絲足結構仿生水凝膠實現可持續的無水泥土壤加固

2022-12-01 來源：高分子科技

利用水凝膠替代水泥類材料作為巖土穩定劑具有良好的可持續性與環境價值。然而，水凝膠遇水吸脹機械性能大幅下降，故而其應用場景收到很大局限。受到貝類絲足啟發，本研究開發了一種具有良好水下穩定性的仿生水凝膠巖土穩定劑，在土壤中可自發形成類似貝類絲足的異質結構。該結構具有良好的機械強度和優異的抗溶脹性能，可在各種自然環境中保持巖土的穩定性。此外，該材料展現出的透水、保水性對生態系統的可持續發展也具有促進作用。

圖1 貝類絲足與仿生水凝膠微觀結構的對比

近期，北京工業大學材料與制造學部趙治、宋曉艷教授團隊開發了一種具有貝類絲足結構的仿生水凝膠材料，并展示了其在可持續土壤加固中的應用。該研究利用協同作用的分子間氫鍵與疏水團聚作用，使水凝膠固化過程中自發形成具有纖維狀結構的軟核和具有顆粒狀外觀的硬殼。同時，在表面親水性的影響下，與土壤顆粒接觸的界面處水凝膠會形成網狀結構，并與土壤顆粒形成牢固結合。這種異質結構水凝膠與貝類絲足具有高度的微觀相似性（圖1）。貝類絲足的特征結構使其可在沙灘、礁石等極度潮濕表面穩定附著。與之相似，該仿生水凝膠材料也展現出極強的水下穩定性與土壤加固能力。在浸泡72小時后，仿生水凝膠加固的土壤無明顯體積膨脹，其抗壓強度仍可保持在1 MPa左右。在環境測試中，仿生水凝膠展現出優異的熱穩定性與光照穩定性，并可使加固土壤達到最高2.9 MPa的抗壓強度，與波特蘭水泥相當。此外，使用水凝膠加固劑還可賦予土壤良好的透水性與保水性，這對于生態環境中動植物的生存具有重要意義（圖2）。綜上，本研究展現的仿生土壤加固劑充分借鑒了生物結構的優異機械特性與防水特性，使得在真實環境中應用水凝膠加固土壤成為可能。利用該材料替代水泥有望減少水泥產業的碳排放、降低現有土壤加固方法對環境的影響，對可持續發展與實現“雙碳”目標具有重要意義。該工作以“Sustainable Cement-Free Soil Stabilization via a Mussel Mimicry, Water-Resistant Hydrogel”為題發表在《Chemistry of Materials》上（Chem. Mater., DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c02350）。文章第一兼通訊作者是北京工業大學趙治教授，共同通訊作者是北京工業大學宋曉艷教授。該研究得到國家自然科學基金的支持。

圖2 仿生水凝膠土壤加固劑的環境測試

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c02350

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（責任編輯：xu）

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