近年来，面对极端低温环境下传统材料易失效的挑战，防冻水凝胶作为一种能够在低温条件下保持优异功能性与力学完整性的新型材料，正成为全球材料科学领域的研究热点。美国阿克伦大学郑洁教授课题组近日在综述期刊Chemical Society Reviews发表了题为《Antifreezing hydrogels: from mechanisms and strategies to applications》的综述论文，系统阐述了防冻水凝胶领域的最新研究进展，从分子设计机理到工程应用创新，构建了防冻水凝胶设计的全链条知识体系，并对未来发展方向提出了前瞻性见解。

防冻水凝胶：低温环境下的“软”解决方案

  在极端低温或高湿寒冷环境中，传统防冻剂如乙二醇、水合盐等存在挥发性强、环境毒性大、功能单一等固有缺陷，难以满足柔性电子器件、生物医学工程、软体机器人等新兴领域对材料性能的严苛要求。相比之下，防冻水凝胶不仅保留了传统水凝胶的柔性、自修复性和生物相容性等优势，更在低温环境下展现出卓越的电导率保持能力、机械稳定性和结构完整性，为极端环境应用提供了创新解决方案。

  团队基于其在抗冻材料、聚合物网络设计及高分子工程方面的长期积累，全面梳理了防冻水凝胶的发展脉络，提出了系统的分类框架，尤其强调了“网络工程”在实现优异防冻性能中的核心作用。

  特别地，团队提出并汇总了“网络冻结抑制”（network freezing inhibition）的创新理论框架。该理论突破传统依赖添加剂的抗冻思路，通过精确调控聚合物网络的化学结构、拓扑构型和交联密度，在分子层面实现对水分子状态的有效控制。这类非添加剂的抗冻策略可通过纳米限域效应和网络-水相互作用，显著抑制冰晶的成核、生长和重结晶过程。

  文章进一步总结了一系列从分子层面到材料宏观性能的多尺度结构调控策略，旨在实现对抗冻性能的精确调节。其中包括：通过化学交联（如动态共价键）与物理交联（如氢键或疏水相互作用）构建具备可调稳定性的网络结构；通过调控亲水基团的比例，如引入羟基、羧基等亲水单元，提高材料与水的结合程度；优化孔隙结构与交联密度，以调节网络间隙大小，其中纳米级孔隙在显著抑制冰晶生成方面展现出关键作用；在两性电解质凝胶设计方面，通过精确调控正负电荷比例，增强离子溶剂化效应以固定水分子；此外，开发两亲性聚合物系统或者特殊的交联网络，构建可控的疏水-亲水结构域，实现类似抗冻蛋白（AFP）的抗冻机制。尽管防冻水凝胶研究取得显著进展，团队指出该领域仍存在若干关键科学问题亟待解决：（1）复杂热力学/动力学过程的微观机制解析，（2）冻融循环条件下的材料稳定性提升，（3）多场耦合环境中的性能预测模型构建。

  本综述还探讨了防冻水凝胶在多种场景下的前沿应用。最后，本综述总结了该领域未来的发展方向，强调了将机器学习和先进的分子模拟技术融入材料设计的潜力。

  该综述的第一作者为课题组毕业生张冬博士（2022届）和陈红博士（2017届），通讯作者为郑洁教授。这项工作为防冻水凝胶的基础研究和工程应用提供了重要理论指导和技术参考。

  原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/cs/d4cs00718b