热响应水凝胶凭借其可逆相变特性，在组织工程、智能传感和软体机器人等领域展现出巨大潜力。然而，传统热响应水凝胶的相变过程往往依赖外部热源驱动，不仅能耗高，还伴随着显著的体积膨胀或收缩，易引发热损伤、器件失稳及信息失真等问题。

  针对上述难题，兰州大学吕少瑜教授团队近期突破传统“热触发”范式，提出了一种以水为刺激源、通过焓–熵补偿调控相变行为的新机制，在保留上临界溶解温度（UCST）型热响应的同时，实现了准等容相变。所构筑的水凝胶可在室温水驱动下于130秒内完成快速响应，体积变化仅1.2倍。该工作突破了传统热响应材料对外部热输入的依赖，为低能耗、高稳定性智能水凝胶的开发开辟了新方向。

  2026年5月7日，相关成果近期以 “Beyond Swelling and Shrinking: Achieving a Quasi-Isovolumetric Phase Transition in Water-Driven Thermo-Responsive Hydrogels via Enthalpy–Entropy Compensation” 为题发表在Angewandte Chemie International Edition 上。兰州大学博士生杨鑫为论文的第一作者，兰州大学吕少瑜教授为论文的通讯作者。

图1 水驱动相变水凝胶的设计

  该UCST型热响应水凝胶由甲基丙烯酰胺（MAm）与丙烯酸（AA）共聚形成，并引入脯氨酸和氯化铵。如图1所示，其调控机制在于：脯氨酸通过竞争性氢键与聚合物链结合，破坏聚合物-聚合物（P-P）之间的氢键网络，降低体系焓变，从而将临界响应温度调控至室温以下（T_c1 < 0 ℃），使水凝胶在常温下保持透明状态。当水分子进入网络后，疏水单元诱导周围水分子有序排列，同时疏水相互作用进一步稳定聚合物间氢键，导致熵损失和混合焓增加，进而使临界响应温度升高至室温以上（T_c2 > 25 ℃），驱动水凝胶在室温下发生快速相变。这一“水驱动”过程无需外部热能输入，显著提升了材料在生物体系中的兼容性与实际应用潜力。

图2 水驱动相变水凝胶的制备及其相变行为

  实验结果表明，该水凝胶在25 ℃ 纯水环境中可在130秒内完成快速相变，体积变化仅为1.2倍，实现了准等容响应。水驱动致不透明效率达51 cm² g^-1，表明水驱动相变具有高度敏感性。对水驱动动力学过程的演化分析显示，水分子优先诱导凝胶-水界面处的聚合物链塌缩，形成致密层，使凝胶由透明转变为相变状态。随着水分子进一步向凝胶内部扩散，相转变逐渐扩展至整个凝胶。当水分子挥发后，凝胶可恢复至初始透明状态，证明水驱动相转变的可逆性。

图3 准等容相变机制

  为阐明其作用机制，团队结合核磁共振分析、分子动力学模拟、ATR-FTIR、二维相关光谱（2DCOS）等多种手段，系统揭示了水驱动相变的分子机制。结果表明，脯氨酸在聚合物链间形成的竞争性氢键作用能够有效调控体系的焓变。在水驱动过程中，水分子优先触发聚合物链中的疏水基团在凝胶-水界面发生疏水簇集，为聚合物链的宏观塌缩奠定了结构基础。与此同时，疏水单元诱导周围水分子有序排列，疏水相互作用进一步稳定了聚合物之间的氢键，导致熵损失与混合焓的增加，从而有效提升临界响应温度。上述结果从分子层面验证了焓–熵补偿调控机制。

图4 水驱动相变水凝胶在信息加密与解密方面的应用

  该水凝胶体系表现出优异的环境适应性和广泛的应用前景。水凝胶不仅具有自再水化的能力，可在盐溶液、酸碱环境及-20 ℃低温条件下稳定工作，还展现出良好的策略普适性。基于其独特的水驱动相变行为，团队实现了水凝胶在可逆信息书写与擦除、二维码动态加密解密以及体温触发信息隐藏等领域的潜在应用，并进一步模拟了人脑动态记忆-遗忘过程，为新一代低能耗智能响应材料和类脑信息器件的开发提供了重要思路。

  该工作得到了国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金以及中央高校基本科研业务费的支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.9390820