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  近年來(lái)，面對(duì)極端低溫環(huán)境下傳統(tǒng)材料易失效的挑戰(zhàn)，防凍水凝膠作為一種能夠在低溫條件下保持優(yōu)異功能性與力學(xué)完整性的新型材料，正成為全球材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。美國(guó)阿克倫大學(xué)鄭潔教授課題組近日在綜述期刊Chemical Society Reviews發(fā)表了題為《Antifreezing hydrogels: from mechanisms and strategies to applications》的綜述論文，系統(tǒng)闡述了防凍水凝膠領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，從分子設(shè)計(jì)機(jī)理到工程應(yīng)用創(chuàng)新，構(gòu)建了防凍水凝膠設(shè)計(jì)的全鏈條知識(shí)體系，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向提出了前瞻性見(jiàn)解。

防凍水凝膠：低溫環(huán)境下的“軟”解決方案

  在極端低溫或高濕寒冷環(huán)境中，傳統(tǒng)防凍劑如乙二醇、水合鹽等存在揮發(fā)性強(qiáng)、環(huán)境毒性大、功能單一等固有缺陷，難以滿足柔性電子器件、生物醫(yī)學(xué)工程、軟體機(jī)器人等新興領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿膰?yán)苛要求。相比之下，防凍水凝膠不僅保留了傳統(tǒng)水凝膠的柔性、自修復(fù)性和生物相容性等優(yōu)勢(shì)，更在低溫環(huán)境下展現(xiàn)出卓越的電導(dǎo)率保持能力、機(jī)械穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性，為極端環(huán)境應(yīng)用提供了創(chuàng)新解決方案。

  團(tuán)隊(duì)基于其在抗凍材料、聚合物網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及高分子工程方面的長(zhǎng)期積累，全面梳理了防凍水凝膠的發(fā)展脈絡(luò)，提出了系統(tǒng)的分類框架，尤其強(qiáng)調(diào)了“網(wǎng)絡(luò)工程”在實(shí)現(xiàn)優(yōu)異防凍性能中的核心作用。

  特別地，團(tuán)隊(duì)提出并匯總了“網(wǎng)絡(luò)凍結(jié)抑制”（network freezing inhibition）的創(chuàng)新理論框架。該理論突破傳統(tǒng)依賴添加劑的抗凍思路，通過(guò)精確調(diào)控聚合物網(wǎng)絡(luò)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、拓?fù)錁?gòu)型和交聯(lián)密度，在分子層面實(shí)現(xiàn)對(duì)水分子狀態(tài)的有效控制。這類非添加劑的抗凍策略可通過(guò)納米限域效應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)-水相互作用，顯著抑制冰晶的成核、生長(zhǎng)和重結(jié)晶過(guò)程。

  文章進(jìn)一步總結(jié)了一系列從分子層面到材料宏觀性能的多尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)抗凍性能的精確調(diào)節(jié)。其中包括：通過(guò)化學(xué)交聯(lián)（如動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵）與物理交聯(lián)（如氫鍵或疏水相互作用）構(gòu)建具備可調(diào)穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；通過(guò)調(diào)控親水基團(tuán)的比例，如引入羥基、羧基等親水單元，提高材料與水的結(jié)合程度；優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)與交聯(lián)密度，以調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)間隙大小，其中納米級(jí)孔隙在顯著抑制冰晶生成方面展現(xiàn)出關(guān)鍵作用；在兩性電解質(zhì)凝膠設(shè)計(jì)方面，通過(guò)精確調(diào)控正負(fù)電荷比例，增強(qiáng)離子溶劑化效應(yīng)以固定水分子；此外，開(kāi)發(fā)兩親性聚合物系統(tǒng)或者特殊的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建可控的疏水-親水結(jié)構(gòu)域，實(shí)現(xiàn)類似抗凍蛋白（AFP）的抗凍機(jī)制。盡管防凍水凝膠研究取得顯著進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)指出該領(lǐng)域仍存在若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題亟待解決：（1）復(fù)雜熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)過(guò)程的微觀機(jī)制解析，（2）凍融循環(huán)條件下的材料穩(wěn)定性提升，（3）多場(chǎng)耦合環(huán)境中的性能預(yù)測(cè)模型構(gòu)建。

  本綜述還探討了防凍水凝膠在多種場(chǎng)景下的前沿應(yīng)用。最后，本綜述總結(jié)了該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向，強(qiáng)調(diào)了將機(jī)器學(xué)習(xí)和先進(jìn)的分子模擬技術(shù)融入材料設(shè)計(jì)的潛力。

  該綜述的第一作者為課題組畢業(yè)生張冬博士（2022屆）和陳紅博士（2017屆），通訊作者為鄭潔教授。這項(xiàng)工作為防凍水凝膠的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用提供了重要理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/cs/d4cs00718b