【48812】《AFM》带电双网络：离子呼应水凝胶

  带电双网(DN)水凝胶因其具有十分杰出的机械强度和可调特性而遭到广泛的研讨。本文研讨了聚合物浓度对琼脂糖/聚丙烯酸DN水凝胶微观结构和功用的影响。琼脂糖是一种脆性生物聚合物，而聚丙烯酸(PAAc)是一种弱聚电解质。

  液体环境下的微观结构显现了一个由PAAc包裹并相互连接的琼脂糖支架，这偏离了一般的两层羁绊网络的假定。重要的是，PAAc在水凝胶中的充电不只受pH和弱聚电解质效应的调理，还受双网络的约束性胀大的调理，因而，这是带电水凝胶的内涵调理机制。水凝胶与离子环境之间的相互作用诱导微观结构改变和双网络的充电，影响外表性质，如描摹，刚度和附着力，这些都是经过液体环境原子力显微镜在空间上处理的。DN水凝胶的反响性首要依据聚合物浓度和离子浓度。这些发现为双网络水凝胶的呼应行为供给了新的见地，提醒了带电水凝胶的遍及机理，对未来功用软资料的开发具有辅导意义。

  图1所示。水凝胶的组成和力学行为。A) Ag、AgPAAc和PAAc水凝胶的FTIR光谱。B)杨氏模量，C)开裂应力，D)开裂应变，E) Ag和AgPAAc水凝胶的开裂韧性。

  图2。SN和DN水凝胶的溶胀和电荷密度。A) Ag、AgPAAc和PAAc水凝胶的溶胀比。请注意，因为胀大比的大得多，PAAc水凝胶显现在次级Y轴上(右)。B)经过流电位丈量取得Ag和AgPAAc水凝胶的Zeta电位。因为PAAc SN水凝胶不能接受仪器的压力循环，因而无法测定其zeta电位。C) AgPAAc水凝胶中1075 cm−1处琼脂糖归属峰与1560 cm−1处羧酸归属峰的FTIR峰比。

  图3。Ag、2Ag5.6PAAc、3Ag5.6PAAc和3Ag9PAAc水凝胶的扫描电镜(SEM)图画。将水凝胶冷冻枯燥以削减枯燥过程中的结构损伤损坏，并进行溅射涂层以进步图画清晰度。

  图4。定量图画(QI) -运用硅顶级(上)和正顶级(下)的2Ag水凝胶的外表高度，刚度和附着力。关于每个顶级，水凝胶在三种溶剂条件下进行平衡和成像-水，20mm KCl和50mm KCl。随附的直方图可在弥补资料(SI)中找到。每个图都包含一个z标准(高度、刚度和附着力)，但外表刚度和附着力的整体标准(如图5-7所示)在一切条件和样本中都是相同的，然后沉痛比较不同试验的成果。

  图5。定量图画(QI) -运用Si顶级(上)和正极顶级(下)的2Ag5.6PAAc水凝胶的高度，刚度和附着力。关于每个顶级，水凝胶在三种溶剂条件下进行平衡和成像-水，20mm KCl和50mm KCl。随附的直方图可在弥补资料(SI)中找到。尽管每个图都包含一个z标准(高度、刚度和附着力)，但在一切条件和样本中，刚度和附着力的整体标准(如图所示)是相同的。

  图6。定量图画(QI) - 3Ag5.6PAAc水凝胶的高度，刚度和附着力-运用Si顶级(上)和正极顶级(下)。关于每个顶级，水凝胶在三种溶剂条件下进行平衡和成像-水，20mm KCl和50mm KCl。随附的直方图可在弥补资料(SI)中找到。尽管每个图都包含一个z标准(高度、刚度和附着力)，但在一切条件和样本中，刚度和附着力的整体标准(如图所示)是相同的。

  图7。定量图画(QI) -运用Si顶级(上)和正极顶级(下)的3Ag9PAAc水凝胶的高度，刚度和附着力。关于每个顶级，水凝胶在三种溶剂条件下进行平衡和成像-水，20mm KCl和50mm KCl。随附的直方图可在弥补资料(SI)中找到。用Si顶级在水中拍照的图画的顶部和底部的斜状陨石坑和曲折的脊是因为成像过程中漂移形成的。当用正顶级成像时，这种畸变没有显现出来。尽管每个图都包含一个z标准(高度、刚度和附着力)，但在一切条件和样本中，刚度和附着力的整体标准(如图所示)是相同的，以便进行比较。

  图8。AgPAAc水凝胶的微观结构及其在参加离子时的分子间作用力。微观结构包含琼脂糖支架(黑色)和相互连接的聚丙烯酸(橙色/黄色)。深蓝色块表明AFM顶级(未修改的(-)或功用化的(+))。双网络强化水凝胶，两种聚合物及其浓度的奉献显着。水凝胶充电受双网的有限胀大、弱聚电解质效应和电荷挑选的调理。启用了呼应盐浓度的可调行为，并取决于成分。A) 2Ag和2Ag5.6PAAc水凝胶:溶胀和电荷密度高;静电相互作用与氢键之间的竞赛。B) 3Ag5.6PAAc水凝胶:中等胀大和电荷密度。与2Ag5.6PAAc DN水凝胶比较，添加盐可进步附着力和外表硬度的可调性。静电力大于氢键。C) 3Ag9PAAc水凝胶:高韧性、低溶胀、低电荷密度。添加双网中聚丙烯酸的浓度，沉痛反转盐参加后因为电荷调理而引起的外表刚度和附着力的改变。

  综上所述，本文研讨了组分对AgPAAc DN水凝胶的微观结构、体积和界面功用的影响。显微镜图画显现了一个由琼脂糖支架和相互连接的聚丙烯酸组成的网络，挑战了羁绊双网络的遍及假定。与单一网络水凝胶比较，可视化的微观结构担任强化和增韧DN水凝胶。聚丙烯酸的充电不只遭到pH值和离子浓度的调理，就像在溶液中的弱聚电解质中一样，并且还遭到网络中带电基团的空间约束，然后约束了胀大。咱们一直信任这一发现对其他带电水凝胶具有遍及意义。

  此外，静电相互作用和氢键之间的竞赛影响了2Ag5.6PAAc水凝胶的外表刚度和附着力。如3Ag5.6PAAc水凝胶所示，经过添加盐来添加琼脂糖浓度，能大大的提高硬度和粘附性的可调性。而在3Ag9PAAc中，进一步添加聚丙烯酸的浓度会下降电荷密度，并反转盐的参加对外表硬度和附着力的影响。这些发现为研讨带电水凝胶杂乱的组成-微观结构-性质联系及其对离子环境的呼应性供给了更深化的见地，并为自适应或呼应性软资料的规划供给了辅导。