中国林业科学研究院构建了具有强韧、可逆粘附和光触发分离性质的超分子水凝胶

中国林科院林化所刘鹤研究员团队最新研究成果“Cellulose nanofiber-mediated manifold dynamic synergy enabling adhesive and photo-detachable hydrogel for self-powered E-skin”，在线发表在《Nature Communications》上。

成果采用纳米纤维素纤丝（CNFs）构建了一种具有强韧、可逆粘附和光触发分离性质的超分子水凝胶，在人机互动、智能电子和柔性可穿戴等领域展现出极大的应用潜力。通过将多巴胺基团枝接改性的CNFs与Fe³⁺、丙烯酸单体混合并对其进行热引发处理得到纤维素改性超分子水凝胶（CNF-DA/PAA@Fe³⁺），解决了聚丙烯酸类水凝胶功能有限、环境稳定性低、界面粘附性差以及现有粘附-分离策略过于复杂等问题。CNFs增强的超分子网络、Fe³⁺与聚合物链之间的强配位相互作用共同赋予水凝胶优异的综合机械性能，同时多巴胺基团为水凝胶提供了良好的界面粘附性。暴露在紫外（UV）光下时，水凝胶中的Fe³⁺与CNFs网络发生类光芬顿反应，Fe³⁺被还原为Fe²⁺，当再次置于空气中时，Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，水凝胶络合网络随着上述氧化还原反应的触发而发生解离与重构，展现出可调节的粘附性能。借助密度泛函理论（DFT）解析了光驱动纤维素网络动态重构的演变规律，研究发现CNFs与Fe³⁺间的结合能（−122.715 kcal/mol）远大于纤维素与Fe²⁺间的结合能（−49.773 kcal/mol），在UV光的触发下CNFs能够与Fe²⁺发生动态解离。

中国林科院林化所硕士研究生张蕾和武汉大学博士研究生陈露为论文共同第一作者，中国林科院林化所刘鹤研究员和武汉大学陈朝吉教授为论文共同通讯作者。该研究工作由中国林科院林化所、武汉大学和南京林业大学共同协作完成，并得到国家自然科学基金重大项目（31890774）和江苏省林业科技创新推广项目（LYKJ[2021]04）的资助。（张蕾/林化所）

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47986-y

图1 a 纤维素分子与Fe³⁺离子间的类光芬顿反应示意图；b 水凝胶与皮肤粘附性能的可逆调控展示；c 外源光作用下水凝胶粘附强度的变化；d 纤维素-Fe³⁺体系对不同水凝胶粘附性能调控的普适性；e 水凝胶自供电电子皮肤示意图；f 水凝胶作为传感器连续检测人体运动。