《自然·通訊》中國石油大學張麗媛/青科大程浩然：離子觸發可重構水凝膠！

水凝膠在水處理、強化采油、生物醫用等領域應用廣泛，但高鹽環境下會因靜電屏蔽、聚合物 - 溶劑親和力降低，出現溶脹受阻、力學性能劣化的問題；現有鹽響應水凝膠多僅能維持單一性能穩定，難以實現溶脹與力學性能同步提升，且溶脹與剛度通常呈反向耦合關系，如何讓水凝膠在高鹽中溶脹同時增強力學性能，是亟待解決的難題。

本研究報道了一種名為DAMPS/ AMSBVI 的雙網絡水凝膠，與水環境相比，該材料在高鹽度條件下能同時顯著提升溶脹性能和機械性能。第一層網絡由聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)（poly(AMPS)）構成；第二層網絡則由丙烯酰胺（AM）及兩性離子單體磺基甜菜堿乙烯基咪唑（SBVI）組成。探究鹽觸發的網絡拓撲重構機制，結合 SAXS、XPS、DFT 計算等揭示微觀結構與性能關聯，通過溶脹、力學、降解及巖心驅替實驗驗證其高鹽適應性與實際應用潛力。

作者先制備第一網絡 SAMPS hydrogel，也就是由 AMPS 構成的聚電解質網絡。隨后將其浸泡在第二網絡前驅液中，使 AM、SBVI 和交聯劑進入第一網絡內部，再通過 UV 固化形成互穿的雙網絡結構，即 DAMPS/AM-SBVI hydrogel。紅外光譜證明，雙網絡不是簡單混合，而是形成了具有離子相互作用的復合網絡，為后續鹽誘導重構提供了化學基礎。此外，作者通過調節網絡比例、交聯劑濃度和單體含量，使雙網絡達到“剛性支撐”和“柔性耗能”的平衡。并說明過度交聯會讓材料變脆，而過低交聯又不足以提供有效支撐。單獨的 AMPS 網絡在鹽水中會受到電荷屏蔽，溶脹能力下降；單獨的 AM-SBVI 網絡雖然有一定抗聚電解質效應，但力學支撐有限。只有將兩者構筑成雙網絡，才能同時獲得高溶脹和高模量。

DAMPS/AM- SBVI 的設計與合成

DAMPS/AM-SBVI 在鹽水中同時實現了溶脹增強和力學增強。這與傳統水凝膠“吸水越多、強度越低”的規律相反。傳統水凝膠在高鹽中通常因電荷屏蔽而收縮，但該水凝膠在鹽水中出現異常溶脹增強。作者將其歸因于 SBVI 的抗聚電解質效應和鹽誘導的鏈構象伸展。一般水凝膠吸水越多，聚合物鏈越稀釋，強度越低；但這個體系在鹽水中形成了更多可承載的離子橋，因此膨脹后仍能有效傳遞應力。鹽水不僅增加了網絡的彈性支撐，也引入了更多動態耗能單元。這些動態連接在變形過程中可以斷裂和重組，從而提高材料韌性。與已有文獻材料對比，本文材料不是只在單一指標上表現好，而是在“高鹽、高溶脹、高強度”三個維度上同時占優。

DAMPS/AM- SBVI 的溶脹行為與力學性能

作者用 SEM、SAXS、FTIR、XPS、DFT 和熱力學分析共同證明：鹽誘導了網絡拓撲結構重構。在水中，網絡內部存在較明顯的局部聚集和相分離；進入鹽水后，原本局部束縛的鏈段被釋放，網絡變得更均勻、更開放，這為高溶脹提供了結構基礎。SAXS 進一步證明，鹽水使網絡從局部聚集、相分離狀態轉向更加均勻和連通的結構。宏觀上表現為透明度變化，微觀上則對應相分離域減少。FTIR 和 XPS 證明，鹽并不是單純屏蔽電荷，而是改變了 AMPS 和 SBVI 之間的離子結合方式。DFT計算結果從分子層面說明，高鹽環境反而促進了 SBVI 與 AMPS 之間更強的離子關聯。拓撲參數證明“鏈內環”轉化為“承載橋”.鹽水中的性能提升不是因為水凝膠遇到了“更好的溶劑”，而是因為無效的鏈內環減少了，有效的跨網絡橋增多了。

DAMPS/AM- SBVI 在鹽溶液中的微觀結構分析及其作用機制

鹽水中的性能提升不是因為水凝膠遇到了“更好的溶劑”，而是因為無效的鏈內環減少了，有效的跨網絡橋增多了。降解實驗顯示，80℃純水中凝膠 7 天內幾乎完全降解，鹽水環境下 60 天仍保留超 5% 質量，鹽抑制水解、延長壽命；溫度梯度實驗表明，80℃降解最快，50℃速率顯著降低，降解具有熱加速特性;流變監測顯示，80℃地層鹽水中 30 天內儲能、損耗模量逐步下降，但始終保持 G'>G''，維持固態特性；不同溫度降解 7 天后，模量隨溫度升高降低，仍具備一定力學強度； 實物圖展示凝膠從完整狀態逐步碎片化、溶解的降解過程；巖心驅替裝置模擬高滲透裂縫地層；驅替數據顯示，凝膠注入后壓力升至 4.4MPa，滲透率降至 0.962mD，封堵效率 99.2%，二次水驅提高采收率至 61.1%，降解后滲透率恢復至 40.2mD，巖心損傷率 66.7%，兼具高效封堵與低損傷特性。

巖心注水封堵效應與巖心損傷性能。

總之，本文設計了一種鹽觸發拓撲重構的 DAMPS/AM-SBVI 雙網絡水凝膠，實現了高鹽環境中溶脹性能與力學強度的同步提升。其核心機制在于，鹽離子誘導 SBVI 鏈內離子對打開，并與 AMPS 網絡形成可逆的網絡間離子橋，從而將無效鏈內環轉化為有效承載連接。作者進一步通過結構表征、DFT 計算和熱力學分析，闡明了有效橋密度增加、環分數降低以及關聯能穩定化共同驅動性能增強的機制。巖心驅替實驗表明，該水凝膠在高鹽高溫環境中兼具可控降解和高效封堵能力，為極端鹽環境下自適應水凝膠的設計提供了新的思路。

論文題目：Ion-triggered reconfigurable hydrogels with salt-enhanced mechanical and swelling properties via network topological adaptation

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-73723-8