01 研究背景

温度响应型水凝胶因其能对外界刺激产生物理化学性质变化，在生物医学、机器人及光学领域备受关注 。其中，具有下临界溶解温度（LCST）和上临界溶解温度（UCST）特性的水凝胶最为常见。然而，要在同一温度范围内实现LCST与UCST两种响应行为的快速切换，一直是该领域的一大挑战 。现有的系统大多只能表现出单一的相转变行为，限制了其在复杂逻辑控制和高级信息加密方面的应用。因此，开发一种能够通过第二种刺激（如pH）灵活切换温敏模式的智能水凝胶，对于提升材料的自适应性和多功能性具有重要意义 。

02 文章概述

受分子间超分子相互作用的启发，中国科学技术大学的冯伟研究团队在《Advanced Functional Materials》上报道了一种具有pH门控切换LCST-UCST相转变行为的新型水凝胶 。该研究利用聚（丙烯酸-共-丙烯酰胺）与羟丙基纤维素（HPC）之间的氢键作用，实现了对相转变模式的精准调控 。通过调节pH值，该水凝胶可以在“升温变混浊”（LCST型）与“升温变透明”（UCST型）之间进行可逆切换 。这种独特的性质不仅使其能够作为智能窗调节光线，还展示了其在高级信息隐藏与加密领域的巨大潜力 。

03 主要内容

1. PACA-HPC水凝胶的设计与pH响应机制本研究的核心在于通过引入能与HPC形成强氢键的丙烯酸（AA）单体，赋予系统pH敏感性 。研究发现，HPC本身具有LCST行为 。在酸性条件下，丙烯酸的羧基发生质子化，与HPC形成强烈的分子间氢键，导致水凝胶在室温下发生相分离并呈现不透明状态；而升温会破坏这些氢键，使凝胶变透明，表现出UCST行为 。当环境变为中性或碱性时，羧基去质子化，氢键减弱，水凝胶回归HPC固有的LCST行为，即低温透明、高温不透明 。

2. 分子间相互作用的深度解析

研究团队利用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及密度泛函理论（DFT）计算，深入探讨了其内部机理 。DFT计算显示，HPC与丙烯酸之间的氢键强度（-11.78 kcal/mol）远高于HPC与水分子的氢键强度（-5.88 kcal/mol），这证实了羧基在介导相转变中的核心作用 。通过原位变温红外技术进一步观察到，在不同pH下，羟基和羧基峰的移动方向完全相反，从分子尺度验证了氢键形成与解离导致模式切换的逻辑 。

3. 优异的机械性能与稳定性除了独特的响应性，PACA-HPC水凝胶还具备良好的力学支撑。实验表明，当HPC含量为10%时，水凝胶表现出极佳的柔韧性，拉伸率可高达1670% 。通过物理交联作用，材料在机械变形过程中表现出极低的滞后现象，能量耗散机制主要归因于分子链间氢键的牺牲与重组 。此外，水凝胶在多次pH和温度循环处理后，其相转变行为仍能保持高度的一致性 。

4. 智能窗应用：透明度的主动调控基于这种pH切换特性，研究者开发了能够响应环境变化的智能窗原型 。在特定pH环境下，窗户可以在炎热的夏天通过LCST行为自动变色以遮挡阳光；而在寒冷的冬天，通过简单的化学调节，它又能转变为UCST模式，在升温时保持透明以获取热量 。这种自适应的光学性能为建筑节能提供了新思路。

5. 高级信息加密与存储研究展示了一种巧妙的信息加密策略 。通过在同一块水凝胶的不同区域进行局部的pH图案化处理，可以制备出包含LCST和UCST两种区域的复合材料 。在室温下，某些信息可能是隐藏的；而当温度升高或降低到特定点位时，由于不同区域表现出截然相反的透明度变化逻辑，真正的加密信息才会浮现 。这种基于“双重模式切换”的策略极大提升了信息的安全性。

04 研究结论

本研究成功开发了一种通过氢键策略调控的新型智能水凝胶，解决了单一材料中LCST与UCST响应模式难以灵活切换的难题 。通过精确控制pH，实现了水凝胶在同一温度范围内光学性质的逻辑反转。PACA-HPC水凝胶表现出优异的拉伸性能（>1600%）和高度可逆的相转变特征 。这一成果不仅在智能光学器件和节能窗领域具有广泛应用价值，更为多重刺激响应材料的设计和复杂信息安全防护提供了全新的实验依据 。

05 研究启示

这项工作揭示了利用简单的超分子相互作用（如氢键）来解耦和重组复杂物理行为的可能性。其“pH门控”的概念可以推广到其他刺激响应体系中，为设计具有逻辑运算能力的智能材料提供了范例。未来，通过调整聚合物组分或引入更多的响应性官能团，这种材料平台有望在柔性传感器、自适应光学伪装以及生物检测等领域产生深远影响。

冯伟教授和杨海洋副教授为论文的通讯作者，实验室特任副研究员何家庆和化学院周强博士为（共同）第一作者。

2024.2.22

响应性材料具有自主感知和对各种外部刺激做出反应的固有能力，展示了一定的物理智能。在众多响应性材料中，液晶聚合物（LCPs）以其显著的可逆响应形态变化特性以及在软机器人领域中的潜力而脱颖而出。冯伟教授、何奇洸助理教授和张立教授共同在Advanced Materials 期刊以 Embedded Physical Intelligence in Liquid Crystalline Polymer Actuators and Robots为题目全面概述了利用液晶聚合物（LCPs）开发具有物理智能的制动器和机器人的最新进展 （10.1002/adma.202312313）。该综述围绕刺激条件展开，根据基本的控制和刺激逻辑进行分类，论述了三个主要类别：对变化刺激作出反应的系统，受恒定刺激驱动的系统以及具备学习和逻辑控制能力的系统。此外，文章还概述了这一充满活力的领域未来需要解决的挑战。

2025.09.01

近日，Dirk Broer 教授依托课题组申请的中国科学院国际人才计划项目（PIFI）成功获批。祝贺Dirk Broer 教授和课题组！感谢学院、学校和中国科学院的支持！

关于PIFI项目：

中国科学院国际交流计划（CAS President's International Fellowship Initiative，简称PIFI）是中国科学院于2023年5月发起的国际合作项目，旨在通过引进全球科研人才促进国际科技合作，服务重大科研任务及国家重大科技基础设施建设。

关于Dirk Broer 教授：

Dirk J. Broer 教授，荷兰皇家艺术与科学学院院士，长期从事高分子结构设计和自组织高分子网络研究，致力于开发具有新功能的高分子材料，并将其应用于可持续能源、水资源管理、医疗健康与个体舒适等领域，以应对工业和社会挑战。他的研究覆盖从分子设计到器件集成的完整链条，采用自上而下与自下而上的方法，开发能源材料、刺激响应材料和纳米结构材料。

Broer 教授于1973年加入荷兰飞利浦研究院，开启其科研生涯，曾参与蒸汽相聚合、光存储、电信和显示光学等多个研究方向。1990年，他在继续企业研究的同时，于格罗宁根大学获得博士学位，研究方向为液晶丙烯酸酯的原位光聚合。1990至1991年，他在美国杜邦实验站从事非线性光学与π共轭聚合物蒸汽相沉积研究。1991年回到飞利浦后，他重点开展液晶显示增强与新型制备技术的研究，2003年至2010年担任飞利浦研究院副总裁兼高级研究员，专注于高分子材料在生物医学设备中的应用。自1996年起，他担任埃因霍芬理工大学兼职教授，研究方向涵盖液晶、高分子波导、纳米光刻与高分子驱动器件等。2010年起任全职教授，领导“功能有机材料与器件”研究团队，同年当选为荷兰皇家艺术与科学学院院士。他曾于2013年在美国化学会春季年会主持“液晶与高分子”专题研讨会，展示其在交叉学科领域的重要推动作用。Broer 教授在液晶和高分子材料研究领域具有国际领先的学术地位，长期活跃于国际学术组织和重要学术会议。他曾担任2019年国际液晶弹性体大会（ILCEC）主席，以及2019年欧洲信息显示学会中欧分会会议（SID-ME）主席，并于同年担任美国液晶Gordon研究会议（GRC）的主席，早在2017年已担任该会议的副主席。此外，Broer 教授自2002年至2020年连续参与美国旧金山SPIE Photonics West会议，组织“新兴液晶技术”专题，反映其在该领域的持续影响力。

2025.05.10

在先进制造领域，利用各类树脂单体和定制化设备进行的研究已十分广泛。然而，受限于挤出式制造方法固有的尺寸约束，多材料微细加工工具的发展仍然受限。此外，以往研究主要将单体用作“惰性”树脂，极少关注在制造过程中改变其材料特性。

针对上述挑战，冯伟教授联合马普所Metin Sitti教授、香港中文大学张立教授、合肥综合性国家科学中心盛书荣以及香港中文大学（深圳）俞江帆教授等提出了一种创新的“场耦合先进制造”方法。该方法的核心在于将外部激励场与3D打印过程相结合，从而在制造过程中动态调控“动态”树脂的特性。作为概念验证，研究团队成功开发了电场耦合双光子聚合（EF-TPP）技术，用于制造具有结构色的微结构。

本研究推出的EF-TPP系统实现了三维结构彩色微结构的制造。该技术通过将电场与双光子聚合（TPP）工艺耦合，显著增强了3D打印能力，允许以自下而上的方式精准构建结构色微结构。该方法的突破性优势在于：它成功整合了现有的电调谐螺旋胆甾相液晶，使得在打印过程中不仅能调制结构色，还能同步加快打印速度。这一创新使得无需更换树脂墨水，即可制造出呈现多种结构色的微结构。通过省去传统的光刻步骤，EF-TPP系统践行了绿色制造理念，并为制造动态的、微尺度的结构色器件引入了一种非常规的新范式。这种集成电场的双光子光刻系统，为推进场耦合制造方法论的发展提供了基础性策略，有望在动态功能材料制造、微光学器件及先进传感器等领域开辟新的应用前景。

论文信息：

Wei Feng, Shurong Sheng, Jiaqing He, Xiaopu Wang, Jiaqi Zhu, Jiangfan Yu, Jianhua Zhang, Fan Wang, Li Zhang, Metin Sitti, Electric field-coupled two-photon polymerization system for on-demand modulation of 3D-printed structural color. PNAS Nexus 2025, 4 (5), pgaf074.

https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgaf074