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  近年來，面對極端低溫環境下傳統材料易失效的挑戰，防凍水凝膠作為一種能夠在低溫條件下保持優異功能性與力學完整性的新型材料，正成為全球材料科學領域的研究熱點。美國阿克倫大學鄭潔教授課題組近日在綜述期刊Chemical Society Reviews發表了題為《Antifreezing hydrogels: from mechanisms and strategies to applications》的綜述論文，系統闡述了防凍水凝膠領域的最新研究進展，從分子設計機理到工程應用創新，構建了防凍水凝膠設計的全鏈條知識體系，并對未來發展方向提出了前瞻性見解。

防凍水凝膠：低溫環境下的“軟”解決方案

  在極端低溫或高濕寒冷環境中，傳統防凍劑如乙二醇、水合鹽等存在揮發性強、環境毒性大、功能單一等固有缺陷，難以滿足柔性電子器件、生物醫學工程、軟體機器人等新興領域對材料性能的嚴苛要求。相比之下，防凍水凝膠不僅保留了傳統水凝膠的柔性、自修復性和生物相容性等優勢，更在低溫環境下展現出卓越的電導率保持能力、機械穩定性和結構完整性，為極端環境應用提供了創新解決方案。

  團隊基于其在抗凍材料、聚合物網絡設計及高分子工程方面的長期積累，全面梳理了防凍水凝膠的發展脈絡，提出了系統的分類框架，尤其強調了“網絡工程”在實現優異防凍性能中的核心作用。

  特別地，團隊提出并匯總了“網絡凍結抑制”（network freezing inhibition）的創新理論框架。該理論突破傳統依賴添加劑的抗凍思路，通過精確調控聚合物網絡的化學結構、拓撲構型和交聯密度，在分子層面實現對水分子狀態的有效控制。這類非添加劑的抗凍策略可通過納米限域效應和網絡-水相互作用，顯著抑制冰晶的成核、生長和重結晶過程。

  文章進一步總結了一系列從分子層面到材料宏觀性能的多尺度結構調控策略，旨在實現對抗凍性能的精確調節。其中包括：通過化學交聯（如動態共價鍵）與物理交聯（如氫鍵或疏水相互作用）構建具備可調穩定性的網絡結構；通過調控親水基團的比例，如引入羥基、羧基等親水單元，提高材料與水的結合程度；優化孔隙結構與交聯密度，以調節網絡間隙大小，其中納米級孔隙在顯著抑制冰晶生成方面展現出關鍵作用；在兩性電解質凝膠設計方面，通過精確調控正負電荷比例，增強離子溶劑化效應以固定水分子；此外，開發兩親性聚合物系統或者特殊的交聯網絡，構建可控的疏水-親水結構域，實現類似抗凍蛋白（AFP）的抗凍機制。盡管防凍水凝膠研究取得顯著進展，團隊指出該領域仍存在若干關鍵科學問題亟待解決：（1）復雜熱力學/動力學過程的微觀機制解析，（2）凍融循環條件下的材料穩定性提升，（3）多場耦合環境中的性能預測模型構建。

  本綜述還探討了防凍水凝膠在多種場景下的前沿應用。最后，本綜述總結了該領域未來的發展方向，強調了將機器學習和先進的分子模擬技術融入材料設計的潛力。

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

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