中国科学院宁波工业技术研究院材料技术研究所陈涛

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陈涛，博士，研究员，博士生导师。2006年毕业于浙江大学化学反应工程国家重点实验室，获得高分子化学与物理博士学位。先后于2006年到2007年在英国华威大学(University of Warwick)化学系及于2007年到2010年在美国杜克大学(Duke University)材料科学与工程系从事博士后研究；2010年到2012年，作为洪堡学者在德国德累斯顿工业大学(Technische Universität Dresden)化学系从事科研工作。2012年入选第二批中组部“青年##计划”后，加入中科院宁波材料所，组建智能高分子材料课题组。在Chemical Society Review, Progress Polymer Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Science, Chemistry of Materials, Small, Chemical Communications, ACS Appl. Mater. Interfaces, Journal of Materials Chemistry A-C, Polymer Chemistry, Scientific Report, Macromolecular Rapid Communications, Langmuir, Soft Matter, Advanced Materials Interfaces, Journal of Physical Chemistry B和Polymer等期刊上发表一作/通讯作者SCI学术论文70余篇，共发表SCI论文120余篇，引用1900余次，H因子为24，合作出版专著4本，申请15项国家发明专利，5项获得授权。
研究方向：智能高分子及其杂化材料体系构建，以及在形状记忆、智能驱动、柔性可穿戴传感器件、化学与生物传感器（食品安全及生殖健康检测）等方面的应用。
Email：tao.chen@nimte.ac.cn
团队网页：http://smartpolymers.nimte.ac.cn/

中科院“百人计划”（2012）
浙江省特聘专家（2013）
浙江省“杰出青年基金”（2014）
中科院“拔尖青年科学家”（2016）
浙江省151人才（2016）等


论文专利
近期代表性文章（*为通讯作者）：
1. Wei Lu, and Tao Chen* et al., Supramolecular shape memory hydrogels: A new bridge between stimuli-responsive polymers and supramolecular chemistry, Chem. Soc. Rev., 2017, Inpress
2. Jincui Gu, and Tao Chen* et al., Functionalization of Biodegradable PLA Nonwoven Fabric as Superoleophilic and Superhydrophobic Material for Efficient Oil Absorption and Oil/Water Separation, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, Inpress
3. Lei Zhang, and Tao Chen* et al., Air/Water Interfacial Formation of “Clean” Tiny AuNPs Anchored Densely on CNTs Film for Efficient Electrocatalytic Alcohol Oxidation, Adv. Mater. Interfaces, 2017, Inpress
4. Jingyun Wang, and Tao Chen* et al., Hollow Au-Ag Nanoparticles Labeled Immunochromatography Strip for Highly Sensitive Detection of Clenbuterol, Scientific Report, 2017, Inpress  
5. Peng Xiao, and Tao Chen* et al., 3D Graphene Oxide Micropatterns Achieved by Roller-Assisted Microcontact Printing Induced Interface Integral Peel and Transfer, Adv. Mater. Interfaces, 2017, Inpress
6. Peng Xiao, and Tao Chen* et al., Direct Supramolecular Interacted Graphene Oxide Assembly on Graphene as an Active and Defect-Free Functional Platform, Chem. Commun., 2017, 53, 1949-1952
7. Chunxin Ma, and Tao Chen* et al., A multi-responsive anisotropic hydrogel with macroscopic three-dimensional complex deformations, Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 8670-8676
8. Peng Xiao, and Tao Chen* et al., Ultrafast formation of free-standing 2D carbon nanotube thin films through capillary force optimized self-assembly on air/water interface, Chem. Mater., 2016, 28, 7125–7133
9. Xiaoxia Le, and Tao Chen* et al., Stretchable Tough Supramolecular Hydrogels with Triple Shape Memory Effect, Chem. Sci., 2016, 7, 6715-6720
10. He Xiao, and Tao Chen* et al., A multi-responsive hydrogel with triple shape memory effect based on reversible switche, Chem. Commun,, 2016, 52, 13292-13295
11. Peng Xiao, and Tao Chen* et al., Integration of Patterned Conductive Carbon Nanotube Thin Film with Insulating Hydrophobic Polymer Carpet into Robust 2D Janus Hybrid Flexible Electronics, J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 9750-9755
12. Zhaowen Li, and Tao Chen* et al., Mussel-inspired multifunctional supramolecular hydrogels with self-healing, shape memory and adhesive properties, Polym. Chem., 2016, 7, 5343-5376
13. Lei Zhang, and Tao Chen* et al., Macroscopic Ultrathin Film as Bio-inspired Interfacial Reactor for Fabricating 2D Janus CNTs/AuNPs Hybrid Nanosheets with Enhanced Catalysis Performance, Adv. Mater. Interfaces, 2016, 3, 1600170-1600176
14. Wei Lu, and Tao Chen* et al., Reaction driven self-assembled micellar nanoprobes for ratiometric fluorescence detection of CS2 with high selectivity and sensitivity, ACS Appl. Mater. Interaces, 2016, 8, 20100–20109  
15. Jiang He, and Tao Chen* et al., Highly Efficient Actuator of Graphene/Polydopamine Uniform Composite Thin Film Driven by Moisture Gradients, Adv. Mater. Interfaces, 2016, 3, 1600169-1600176
16. Lei Zhang, and Tao Chen* et al., Underwater superoleophobic Carbon Nanotubes/ Polystyrene@AuNPs HierarchicalMembrane for Flow-Through Catalytic Decompositionand Oil/Water Separation, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10810 - 10815  
17. Jing Zheng, and Tao Chen* et al., Mechanical robust and self-healable supramolecular hydrogel, Macromol. Rapid Commun., 2016, 37, 265-270  
18. Youju Huang, and Tao Chen* et al., Engineering Gold NPs in Compass Shape with Broadly Tunable Plasmon Resonances and High-Performance SERS, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 27949−27955
19. Jiaming Chen, and Tao Chen* et al., Flexible and Adhesive Surface Enhance Raman Scattering Active Tape for Rapid Detection of Pesticide Residues in Fruits and Vegetables, Anal. Chem., 2016, 88, 2149-2155  
20. Wei Lu, Tao Chen* et al., Aggregation-induced emission of tetraphenylethylene-modified polyethyleneimine for highly selective CO2 detection, Sensors & Actuators: B-Chem., 2016, 228, 551-556  
21. Peng Xiao, and Tao Chen* et al., 2D Janus Hybrid Materials of Polymer Grafted Carbon Nanotube/ Graphene Oxide Thin Film as Flexible, Miniature Electric Carpet, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 2428-2435
22. Zhenzhong Liu, and Tao Chen* et al., UV light-initiated RAFT polymerization induced self-assembly, Polym. Chem., 2015, 6, 6129 - 6132
23. Jing Chen, and Tao Chen* et al., CO2 and Temperature Dual Responsive “Smart” MXene Phases, Chem. Commun., 2015, 51, 314-317
24. Jincui Gu, and Tao Chen* et al., Controlled Functionalization of Carbon Nanotubes as Superhydrophobic Materials for Adjustable Oil/Water Separation, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 4124-4128  
25. Meiwen Peng, and Tao Chen* et al., A Direct Microcontact Printing Induced Supramolecular Interaction for Creating Shape-tunable Patterned Polymer Surfaces, J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 8659-8664
26. Lei Zhang, and Tao Chen* et al., Hierarchical Flowerlike Gold Nanoparticles Labeled Immunochromatography Test Strip for Highly Sensitive Detection of Escherichia coli O157:H7, Langmuir, 2015, 31, 5537−5544
27. Hao Meng, and Tao Chen* et al., pH- and Sugar-Induced Shape Memory Hydrogel Based on Reversible Phenylboronic Acid-Diol Ester Bonds, Macromol. Rapid Commun., 2015, 36, 533-537
28. Lei Zhang, and Tao Chen* et al., Light-triggered Reversible Self-assembly of Gold Nanoparticle Oligomers for Tuneable SERS, Langmuir, 2015, 31, 1164-1171
29. Wenqin Wang, and Tao Chen* et al., Synthesis and Properties Study of the Uniform Nonspherical Styrene/Methacrylic Acid Copolymer Latex Particles, Langmuir, 2015, 31, 105-109
30. Hao Meng, and Tao Chen* et al., Self-healable macro-/microscopic shape memory hydrogels based on supramolecular interaction, Chem. Commun., 2014, 50,12277-12280
31. Jincui Gu, and Tao Chen* et al., Janus Polymer/Carbon Nanotube Hybrid Membranes for Water/Oil Separation, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 16204-16209
32. Jincui Gu, and Tao Chen* et al., Robust Preparation of Superhydrophobic Polymer/Carbon Nanotube Hybrid Membranes for Highly Effective Removal of Oils and Separation of Water-in-Oil Emulsions, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15268 - 15272
33. Peng Xiao, and Tao Chen* et al., Micro-contact printing of graphene oxide nanosheets for fabricating patterned polymer brushes, Chem. Commun., 2014, 50, 7103-7106
34. Jing Chen, and Tao Chen* et al., A Smart Hybrid System of Au Nanoparticles Immobilized PDMAEMA Brushes for Thermally Adjustable Catalysis, Chem. Commun., 2014, 50, 1212 - 1214  
35. Yonghong Men, and Tao Chen* et al., Controlled evaporative self-assembly of polyacrylic acid in a confined geometry for fabricating patterned polymer brushes, Langmuir 2014, 30, 4863-4867
36. Peng Xiao, and Tao Chen* et al., A Microcontact Printing Induced Supramolecular Self-Assembled Photo Active Surface for Patterning Polymer Brushes, Chem. Commun., 2013, 49, 11167-11169
37. Tao Chen, and Rainer Jordan* et al, Patterned Polymer Brushes, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 3280-3296
38. Tao Chen*, and Stefan Zauscher* et al., Manipulating the Motion of Gold Aggregates Using Stimulus Responsive Patterned Polymer Brushes as Motor, Adv. Funct. Mater., 2012, 22, 429-434
39. Tao Chen*, and Stefan Zauscher* et al., Dynamic Micro Contact Printing for Patterning Polymer Brush Microstructures, Small, 2011, 7, 2148-2152
40. Tao Chen, and Stefan Zauscher et al., Stimulus Responsive Polymer Brushes on Surfaces: Transduction Mechanisms and Applications, Prog. Polym. Sci., 2010, 35, 94-112
41. Tao Chen, and Stefan Zauscher* et al., Fabrication of Patterned Polymer Brushes on Chemically Active Surfaces by in situ Hydrogen Bond Mediated Attachment of an Initiator, Small, 2010, 14, 1504-1508
42. Tao Chen, and Stefan Zauscher et al., Glucose-Responsive Polymer Brushes for Micro-cantilever Sensing, J. Mater. Chem., 2010, 20, 3391-3395
43. Tao Chen, and Stefan Zauscher* et al., Fabrication of Micro-Patterned Stimulus-Responsive Polymer Brush ‘Anemones’, Adv. Mater., 2009, 21, 1825-1829
44. Tao Chen, and Stefan Bon* et al., Organic/inorganic Hybrid Hollow Spheres Prepared from  TiO2-stabilised Pickering Emulsion Polymerization, Adv. Mater., 2007, 19, 2286-2289
专利：
1. 可自支撑超薄透明导电碳纳米管薄膜及其制备方法与应用，申请号：201510466050.3
2. 一种图案化3D石墨烯导电薄膜及其绿色制备方法和应用，申请号：201510547598.0
3. 三维“相框与相片”结构纳米金材料、其合成方法及应用，申请号：201510206305.2
4. 核壳型超结构纳米材料、其制备方法及应用，申请号：201510202658.5
5. 表面增强拉曼散射检测胶带、其制备方法和应用，申请号：201510125046.0
6. 试剂盒、检测系统，其制备方法及应用，申请号：201510126153.5
7. 多级纳米金花、其制备方法及应用，申请号：201510129915.7
8. 基于LSPR检测精子顶体酶活性的方法、试剂盒及其应用，申请号：201510116466.2
9. 基于电化学检测精子顶体酶活性的方法及试剂盒，申请号：201510206304.8
10. 海鲜产品检测试剂盒、其制备方法及应用，申请号：201510213056.X
11. 纳米金棒大面积定向有序阵列、其制备方法及应用，申请号：201410734444.8
12. 二氧化钛/石墨烯纳米复合材料制备方法与应用，专利号：ZL201210506486.7

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中科院宁波材料所的张佳玮研究员和陈涛研究员近期报道了一种新型聚合物水凝胶仿生驱动器的制备方法，相关研究成果已发表在Adv. Funct. Mater.期刊上，题为“Bioinspired Anisotropic Hydrogel Actuators with On–Off Switchable and Color-Tunable Fluorescence Behaviors”[5]。通过超分子组装的方法将热响应石墨烯氧化物-聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶层与苝二酰亚胺官能化超支化聚乙烯亚胺（PBI-HPEI）水凝胶层组合得到双层水凝胶，然后进一步得到了三维水凝胶驱动器。该种水凝胶仿生驱动器能够产生由PNIPAM外层带来的复杂形变，例如捕获-释放过程。

具有协同变形的复合聚合物水凝胶

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作为发光材料领域冉冉升起的新星，多色荧光高分子水凝胶是一类具有可调发光性能的高分子软材料，往往含有两个或多个发光中心。不同于其他主要以固态或液态形式存在的经典荧光材料，由于多色荧光高分子水凝胶的三维交联网络中包含大量水分，使其以高度含水的准固态形式存在，因此兼具许多优异的固体和液体的性能，包括与生物组织相近的模量，固有的软、湿特性，良好的生物相容性等。重要的是，得益于不同发光中心的可控荧光光谱的叠加，多色荧光高分子水凝胶可以被赋予不同的荧光发射强度和颜色。此外，由于很多发光中心具有刺激响应特性，因此可以引入多种刺激以实现凝胶基体的荧光强度和颜色的变化。这种宽光谱的颜色覆盖以及多刺激响应颜色变化的性质再集成水凝胶独特的软湿特性和化学与结构上的多功能性，使其具有巨大的应用前景和研究价值。

　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员课题组和香港科技大学唐本忠院士课题组基于近年来在荧光高分子水凝胶方面的研究进展（Adv. Mater., 2020, 32, 1906493；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Adv. Mater., 2019, 31, 1902365； Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514; Chem. Mater., 2019, 31, 1092; Chem. Mater., 2019, 31, 5683; ACS Macro Lett., 2019, 8, 937; Sci. China Mater., 2019, 62, 831; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568; Macromolecules, 2018, 51, 5762; ACS Sensor, 2018, 3, 2394; J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 9499 et al.），近期在Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Multicolor fluorescent polymeric hydrogels：colorfulness is more shining than homochromy”的综述（10.1002/anie.202007506）。
　　多色荧光高分子水凝胶其实广泛存在于自然界中，因为许多海洋软体动物以凝胶状态存在并显示动态发光的行为，用于伪装和交流。这些天然的多色荧光通常来自于荧光蛋白或天然荧光团。同样的，人工合成的多色荧光高分子水凝胶的设计通常是将两个或多个具有不同发光颜色的荧光团加入到同一水凝胶体系中。另外，通过设计和引入一些具有刺激响应颜色变化性能的荧光团可以获得基于单一发光中心的智能多色荧光高分子水凝胶。到目前为止，许多类型的天然或人工合成的荧光团都可以用来设计和制备多色荧光高分子水凝胶。根据荧光基团的类型可以分为荧光蛋白、有机荧光团、镧系复合物和发光纳米粒子四个大类。
　　多色荧光高分子水凝胶具有很多优异性能，包括与生物组织类似的机械性能，固有的软、湿特性，良好的生物相容性和光学性能。这些独特的优势再结合其简单的制备方法和易于改性、修饰等特点，使其成为很有前途的发光材料，在传感、生物成像、仿生软机器人、防伪和智能显示等前沿应用领域显示出巨大潜力。尽管在过去的十多年中多色荧光高分子水凝胶的研究取得了一定的进展，但它仍然是一个充满许多可能性的年轻研究领域。未来基于多色荧光水凝胶的研究需要更加注重对新的构筑策略的开发，例如引入具有优异发光强度和稳定性的有机-无机杂化材料或金属掺杂材料作为发光中心；需要拓宽其吸收以及发射光谱范围，尤其是近红外区域，以满足其在生物医学领域的需求；需要继续发展多功能集成（比如自修复，形状记忆，导电性，磁响应）的多色荧光高分子水凝胶使单一体系的结构与功能更加完善。此外，荧光水凝胶的机械性能，保水能力也需要进一步的改善，从而提高其更多实际应用的价值。
　　以上工作得到了国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究项目、中科院青促会、广东省分子聚集发光重点实验室、华南理工大学、北京理工大学青年教师学术启动计划等的资助。

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水凝胶是一种结构非常独特的材料，拥有特定的形状和一定的弹性，具有明显的固体性质；但材料内部却含有大量的水，含水量最高可以达到90%以上。这种结构特点和生物细胞非常相近，因此水凝胶多年来一直吸引着大量研究人员的关注。然而，事物通常具有两面性，高水含量有益于水凝胶在生物医学领域中的应用，同时也限制了它在低温条件下的使用，因为水凝胶在零度以下会冻结，进而失去其优异的性能，包括电导率、透明度、柔韧性等，这一缺点阻止了水凝胶在现实生活中应用，比如用于柔性电子产品和传感器。因此，设计防冻水凝胶有助于拓展水凝胶的应用范围。自然界中有很多动物，尽管它们体内含有大量的体液，但仍然可以在极寒条件下活动或生存。这种耐低温的能力通常来自于动物体内分泌的“防冻剂”。向自然界学习，制备防冻水凝胶材料及器件，具有重要的科学意义和应用前景。
　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员、张佳玮研究员和深圳大学教授周学昌基于其长期在防冻水凝胶方面的研究基础，近期在Materials Horizons上发表了题为“Biomimetic anti-freezing polymeric hydrogels: keeping soft-wet materials active in cold environment”的综述（10.1039/D0MH01029D）。

防冻水凝胶的一般合成策略和主要应用领域

　　根据先前的理论研究，水凝胶中的水分子存在三种不同的状态：能够自由移动的“自由水”、与高分子网络有较弱作用力的“弱结合水”和与高分子网络有较强作用力的“强结合水”。这三种不同状态的水分子具有完全不同的冻结温度，其中“自由水”含量最高，也最容易结冰；而“强结合水”则具有非常低的凝固点。这为制备耐低温的水凝胶提供了理论指导：改变“自由水”的成份来降低其凝固点，或调节水与高分子网络的相互作用来降低“自由水”的比例。基于改变“自由水”的成份，可以在溶剂中添加可溶性的盐或醇类，或者直接将水替换为醇或离子液体；基于调节水与高分子网络的相互作用，可以通过设计功能单体，引入更多与水有强相互作用的基团。
　　虽然不同的制备方法都可以得到耐低温的水凝胶，但不同的制备方法具有不同的优缺点：盐的添加能给水凝胶带来良好的导电性，但在干燥条件下水分会蒸发，影响水凝胶性能的稳定性。醇或离子液体的置换可以大幅提高水凝胶的抗蒸发性能，但是这些溶剂容易泄漏，且通常具有一定的毒性，因此不能用于直接与生物体或水体环境接触的场景中。对高分子网络进行改性可以克服耐低温功能组分容易流失的缺点，实现水凝胶材料长期稳定的应用，但这种方法的防冻能力通常不会很强。尽管已经有一些耐低温水凝胶的报道，但目前防冻水凝胶的设计制备仍相对简单，研究人员应更加致力于研究防冻水凝胶的机理和新的合成策略。
　　现有的一些研究工作将耐低温水凝胶用于仿生致动器和软体机器人、物理或化学传感器、电池或电解质等领域，需要注意的是，这些水凝胶基器件的功能可能会受到新加入耐低温功能组分的影响，因此设计器件时需要选用合适的方法，在实现防冻的同时避免对原有功能的影响。此外，目前的防冻水凝胶体系功能还比较单一，通常只能实现一项功能，例如刺激响应致动或对机械变形的感应等，研究人员设想未来防冻水凝胶能够变得更加智能，在各个领域得到出色应用。
　　这项工作得到了国家自然科学基金、中科院青促会、深圳市科技基金、中科院前沿科学重点研究项目和王宽诚教育基金会等项目的支持。

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自然界的动植物出于捕食、避险等生命活动的需求，千万年来逐渐演变出丰富多彩的形态以及变化多端的形态转变。形变高分子水凝胶由于能在外界刺激下将外界能量转化为自身的机械能并产生大尺度的形态变化，因此受到了国内外学者的广泛关注。作为一种具有软、湿特性的新兴智能材料，由于其具有良好的生物相容性以及丰富的分子设计，被认为是实现仿生形变的理想材料。尽管经过多年的发展，形变高分子水凝胶的变形方式已经从单一的体积转变演变为更复杂的弯曲、扭转以及螺旋等形态转变，但是对于如何实现可编程、程序化的形变即让水凝胶能根据应用需求“随心而动”，依然是研究热点。中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料课题组陈涛研究员与张佳玮研究员近年来致力于仿生形变高分子水凝胶的研究 (Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670；Chem. Sci. 2016, 7, 6715；Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58,16243；Research, 2019, 2384347；Adv. Funct. Mater., 2019, 1905514；Small 2020, 16, 2005461; Adv. Intell. Syst. 2020, 2000208; Adv. Mater., 2020, 32, 2004290；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59,19237；Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60,3640等)。近期，该团队受邀在Chemical Science发表题为“Recent progress in shape deformation of polymeric hydrogels from memory to actuation”的综述（Chemical Science, 2021, DOI: DOI:10.1039/D0SC07106D），对该可编程仿生形变高分子水凝胶的发展进行系统总结与展望。

　　该综述根据高分子凝胶的形变特点将其分为形状记忆水凝胶以及水凝胶驱动器。前者可以在外力作用下变形并通过超分子作用、可逆动态键等方式记忆临时形状，随后在外界的刺激下实现从临时形状到初始形状的变形过程；而水凝胶驱动器则可在外界的刺激下，利用自身分子结构的刺激响应性通过其内部网络各向异性的收缩实现变形。由于形状记忆水凝胶可以记忆多种临时形状，因此当使用外力赋予其编程化的形状后，形状记忆水凝胶便可通过形状回复的过程实现水凝胶程序化变形。除此之外，还可通过制备具有多重刺激响应行为的形状记忆水凝胶，赋予水凝胶多个编程化的临时形状，实现水凝胶多个形状间的程序化变形。而实现水凝胶驱动器程序化变形的方式主要通过水凝胶制备的过程编程各向异性以及在水凝胶制备完成后编程各向异性结构。目前主要采用逐步聚合和光掩模板的方式在水凝胶制备的过程中对其各向异性结构进行编程，而采用模块化组装以及离子印染的方法在水凝胶制备后通过拼接组装对其各向异性结构进行编程。近期，科研人员还将形状记忆水凝胶优异的可编程性以及水凝胶驱动器优异的自变形能力相结合制备得到同时具有形状记忆与驱动功能的智能变形，利用形状记忆赋予水凝胶多个临时的各向异性结构，通过驱动过程实现水凝胶可重复编程、程序化变形。
　　得益于可编程、程序化的变形能力，智能变形凝胶不再局限于智能抓手、阀门系统以及人工肌肉等传统的应用领域，而可进一步被应用于软体机器人、仿生系统以及信息存储与加密等领域。例如，基于可程序化的变形，智能变形凝胶可以将自身变形行为转变成运动行为，从而制备具有运动功能的软体机器人；基于水凝胶良好的生物相容性以及软、湿特性，智能变形凝胶可通过变形转变自身表面结构从而制备仿生章鱼抓手等一系列仿生系统；最后，基于水凝胶良好的分子可设计性，智能变形凝胶还可与荧光凝胶相结合，通过变形与荧光功能的协同在水凝胶体系中实现信息的多重加密与解密。
　　尽管在过去的十多年中，仿生形变高分子水凝胶在结构设计、功能展示以及应用等多方向都获得了快速的发展，但它依然是一个充满机遇与挑战的领域。基于形变高分子水凝胶的研究，未来其需要在保持如今优异变形能力前提下大幅增强其自身的机械性能以适应在现实生活中的应用；需要探索能高效地将变形行为转化为运动行为的结构；最后需要构建变形过程的反馈系统，使得其变形过程能更好地被监控并反馈进一步的变形行为。
　　这项工作得到了国家自然科学基金（51873223、52073295、中德中心交流项目M-0424）、中科院青促会（2017337、2019297）、中科院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-SLH036）、王宽诚教育基金会（GJTD-2019-13）和中国博士后科学基金（2020M671828）等项目的支持。

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信息安全与人民生活、社会稳定甚至国家安全都息息相关，在过去的几十年里，为应对日益强大的伪造技术，各种防伪材料及相关的防伪技术已经得到了快速发展。然而，基于传统干态或硬质材料存储的信息往往以静态形式显示，易被破解，因此，亟需开发新型的信息防伪材料及相应的加密-解密策略来提高信息的安全等级。智能高分子凝胶具有可设计、修饰的三维网络结构，通过功能的赋予，这类材料在软机器人、组织工程、仿生皮肤等各个领域都具有巨大的应用前景和研究价值。特别当暴露在光、热、电、磁、机械力或化学物质等特定外部刺激下，智能高分子凝胶表现出的颜色或形状变化，使得这类材料有望在信息防伪领域取得应用。
　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队长期从事高分子水凝胶的仿生可控构筑及其在柔性驱动与感知、荧光防伪等领域的应用探索。近期，陈涛研究员、乐晓霞副研究员在Advanced Materials上发表了题为“Recent Progress in Smart Polymeric Gel-based Information Storage for Anti-counterfeiting ”的综述（https://doi.org/10.1002/adma.202201262，DOI: 10.1002/adma.202201262, 如图1）。　　

图1 智能高分子凝胶基信息防伪材料的构筑及应用

图2 光学特性（荧光、物理色）可调节的信息存储智能高分子凝胶

　　构建基于高分子凝胶基信息存储设备的关键是如何实现智能凝胶可调节的光学特性（如图2）。材料的光学性能主要表现在其对光的吸收、反射和透射等能力，即透明度、颜色、发光等方面的差异。根据设计方法，基于高分子凝胶的信息存储设备可根据不同的光学形式大致分为两大类：基于化学色的信息存储和基于物理色的信息存储。化学色（以荧光为主）通常通过物理掺杂或化学接枝的方法将碳点、有机染料以及镧系元素引入聚合物凝胶中得以实现，而物理色主要是由凝胶与光之间的相互作用产生（干涉/衍射、折射/散射、反射/透过）。在一定外界刺激条件下，相应的光学性质发生变化，即可对信息进行加密和解密。　
　　通过多功能的协同，包括形状记忆、自修复、驱动，高分子凝胶基的信息存储设备可以实现加密信息从单色到多色的丰富变化，加密-解密形式从单维度到多维度的进一步提升。目前基于凝胶的智能防伪系统虽然与其他防伪材料相比展现出独特的性质，但仍存在一些缺陷，限制了其在实际生产和日常生活中的进一步应用。此类材料的信息存储能力和分辨率有待提高，针对这一点，可以结合现有技术，例如喷墨打印、4D打印等打印技术，在生产过程中，凝胶可以充当“纸”或“墨水”。另一方面，凝胶材料遇溶剂不可避免地会易溶胀、在空气中易失水收缩，导致加密信息失真甚至消失。针对以上缺陷，开发能够抗溶胀或抗失水的凝胶或许是一个不错的选择。
　　对于防伪来说，使用最简单的解密方式识别最高安全级别的加密信息是一个永恒的追求。一方面，不同光学性能的结合、其他功能（如形状记忆、形状变形、自愈等）的协同作用，可以赋予凝胶防伪系统更加复杂多样的加密形式，从而提高信息安全水平。另一方面，采用简单的刺激（例如光、湿度和温度），可以使解密过程简化，这也将成为防伪应用未来的发展趋势。
　　该研究得到了国家自然科学基金（52103246）、国家重点研发计划（2018YFC0114900）、浙江省自然科学基金（LQ22E030015）、中国科学院前沿科学重点研究计划（QYZDB-SSW-SLH036）、中德合作国际交流项目（M-0424）以及王宽诚教育基金（GJTD-2019-13）等项目的支持。

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全球人口爆炸式的增长使得人们对于淡水和能源产生了巨大的需求。尽管近年来在发展水-能获取的新技术方面取得了长足进步，但实现淡水和能源的可持续供给仍然存在重大挑战。这要求我们必须继续探索新的资源或技术，以丰富现有淡水和能源的来源和生产方式。由于全球水文循环，大气中蕴藏着约12900km3的湿气资源可以被用于制备淡水或进行能量管理，但却常常被忽视。因此，合理利用这一巨大的湿气资源，可为目前全球淡水和能源危机的缓解提供一种新的替代方案。大气湿气开发（atmospheric moisture exploiting，AME）技术可自发汲取空气中的湿气，进而通过水的利用实现淡水制备及能量管理等应用，因此被认为是一种具有前景的实现淡水和能源可持续的解决策略。在这方面，设计并开发新型功能性吸湿材料是实现AME技术迭代的关键核心之一。由于其高度可调的结构和性质，独特的多孔结构和溶胀特性，以及易与功能材料有效集成等特点，以三维交联聚合物网络为特征的吸湿性聚合物凝胶（hygroscopic polymeric gels，HPGs）已逐渐成为一种理想的AME平台材料，可将大气中的湿气资源有效地转换为淡水和能源资源，展示出巨大的应用前景和研究价值。
　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员、肖鹏副研究员基于HPGs在吸湿聚合物凝胶开发及其在大气湿气资源开发方面的研究进展，在Matter上发表题为“Hygroscopic polymer gels toward atmospheric moisture exploitations for energy management and freshwater generation”的综述文章（Matter 2022 5, 2624-2658，https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.010），系统回顾了HPGs的吸湿机制、构建策略以及其在水-能应用方面的系列进展，并概述了目前阶段所面临的挑战和机遇。

HPGs的构建策略及其AME应用：向大气“索取”淡水和能源

　　在该综述中，作者首先阐释了HPGs的吸湿机制，包括湿气吸附和湿气贮存，并系统总结了其物理结构和化学性质的一般设计原则。根据其凝胶材料结构和组成可将HPGs分为本征型HPGs和混合型HPGs。对于前者，无需引入额外的吸湿组份，仅通过调节单体或聚合物链的亲水性，就能使聚合物凝胶网络具有显著的吸湿性能。更重要的是，通过在这些亲水性凝胶网络中构建多孔结构，可进一步改善其吸湿动力学。另外，通过各种掺杂策略，包括浸泡-干燥、离子交换、互穿网络、原位共聚和溶剂置换等，将现有吸湿组份（固体干燥剂和液体吸湿剂）与凝胶网络进行复合可得到混合型HPGs，最终表现出协同增强的吸湿性能。在列举这些构筑策略的实例的同时，本综述还相应总结了其构-效关系。作者系统回顾了近年来HPGs在湿气裂解、吸湿-蒸发制冷、湿致发电、湿致变色、空气取水及湿气灌溉等水-能应用方面的最新进展。
　　尽管HPGs在近年来发展势头强劲，但现阶段仍存在一些问题和挑战。例如，未来需要进一步提升其吸湿性能，尤其是在低湿度环境条件下，以期望在淡水和能源生产中发挥更大的输出性能以满足实际使用需求。同时，还需进一步提升HPGs的再生效率，通过对材料和器件结构的优化来实现对其所吸收湿气的完全消耗，以再生其最大的吸湿能力。另外，在湿气利用过程中，未来其物理结构（内部多孔结构坍塌）和化学结构（气体杂质吸附）的稳定性也需要被进一步关注，以避免在其循环使用中出现性能的不可逆衰退。最后，HPGs的成本和宏量化生产是其进入大规模应用市场之前需要被考虑的两个方面，因此未来需要开发更低成本的材料体系以及更大规模化的生产技术来提升其市场竞争力。
　　该论文得到了国家自然科学基金（52073295）、宁波市科技局（2021Z127）、国家自然科学基金委中德交流项目（M-0424）、中国科学院前沿科学重点研发项目（QYZDB-SSW-SLH036）、中国科学院国际合作局 (174433KYSB20170061)、王宽诚教育基金（GJTD-2019-13）等项目的支持。

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Janus薄膜由于具有不对称的结构和独特的物理或化学性质，在传感、驱动、能源管理和先进分离等方面表现出了巨大的应用潜力。其中，仿生柔性皮肤由于兼具灵敏感知、驱动和功能集成等特点，已经引起了人们广泛的研究兴趣。为实现这些特定的功能，需要选择合适的活性功能材料并以可控的方式形成不对称的结构。碳纳米材料由于具有优异的导电和导热性能、本征机械柔韧性、高化学和热稳定性、易于加工等优点，是一种极具应用前景的活性材料。碳纳米材料和功能聚合物以可控方式进行不对称结合可以促进高性能传感、驱动和集成器件的设计，从而推动智能软体机器人的发展。因此，迫切需要对碳基Janus薄膜的设计原则进行全面总结，并深入讨论表面/界面结构和性能之间的关系，以指导其在柔性智能设备中的应用。
　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员、肖鹏副研究员基于在碳基/高分子Janus薄膜的构筑及其柔性传感和驱动方面的长期研究基础，受邀在Accounts of Materials Research上发表题为“Carbon-based Janus Films Toward Flexible Sensors, Soft Actuators and Their Beyond”的综述文章（Acc. Mater. Res. 2023, DOI: https://doi.org/10.1021/accountsmr.2c00213）, 系统总结了碳基Janus薄膜的制备策略、结构与性能关系以及传感和驱动及其一体化集成器件应用方面的研究进展，并对该领域的未来发展进行了展望。
　　在该综述中，作者首先讨论了几种常见的碳纳米材料（例如，碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯、石墨和炭黑等）的基本性质和优缺点，以此来引导人们根据所需的性能和应用场景选择合适的材料。随后介绍了碳基Janus薄膜通用的制备策略，并根据制备过程中基底不同，将其分为固体支撑的物理和化学策略以及液体支撑的界面策略。其中，重点讨论了不同的设计原则和表面或界面结构以及性能之间的关系，以此来指导设计高性能器件。具有不对称功能耦合的碳基Janus薄膜进一步通过构建特殊表面微结构来实现高性能电子皮肤的开发，同时还能以支撑和自支撑构型用于非接触式感知。此外，由于碳纳米材料优异的光热转化以及湿度响应性能和聚合物层的功能可设计性，碳基Janus薄膜在高性能光热驱动、湿度驱动以及多刺激响应驱动器中取得了巨大进展。基于碳材料优异的导电和传感性能，碳基Janus薄膜还可以设计成自感知软体驱动器，极大推动了智能软体机器人的发展。

基于先进制造技术构建碳基Janus薄膜用于传感、驱动及其一体化智能柔性器件

　　尽管碳基Janus薄膜在传感、驱动和一体化柔性器件的开发中得到了长足的发展，但仍然存在一些问题和挑战亟需解决。首先，碳纳米材料应用到植入式传感或驱动器件中时，需要考虑和生物相容性材料进行复合或者对器件进行封装来降低毒性风险。其次，为实现稳定的驱动和精确的传感信号反馈，需要进一步提高两相界面的结合强度。同时，赋予碳基Janus薄膜多功能性，例如自愈合、抗腐蚀、耐高温、抗冻等，以增强其在复杂、恶劣环境中的适应性。不仅如此，还需探索高效易得的方法以实现碳基Janus薄膜可控图案化，来构建高精度、定位传感器和可编程的多阶段驱动器。最后，为实现碳基Janus薄膜的大规模生产以及推动其在智能软体机器人中的发展，结合可扩展的界面制备策略和先进的打印以及卷对卷加工等技术似乎是一种不错的选择。
　　该论文得到了国家自然科学基金（52073295）、国家重点研发计划项目（2022YFC2805204、2022YFC2805202）、国家自然科学基金委中德交流项目（M-0424）、浙江（之江）实验室开放研究项目（No.2022MG0AB01）、中国科学院前沿科学重点研发项目（QYZDB-SSW-SLH036）、王宽诚教育基金（GJTD-2019-13）等项目的支持。

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可穿戴传感器可以通过非侵入的方式捕捉人体的各种信号并转化为可识别的电信号，从而达到实时监测的目的，在健康管理等领域展现出了重要价值。相比于传统的刚性可穿戴传感器，由导电凝胶等软材料构建的皮肤式可穿戴传感器能与动态皮肤形成紧密的共型结构，提高传感器的传感准确性和稳定性，甚至实现对人体运动状态的实时感知。尽管基于导电凝胶的可穿戴传感器研究已经取得巨大进展，并广泛应用于动作监测、健康管理、表情和声音识别、人机交互等诸多领域，但由于导电凝胶在水环境中存在吸水溶胀、导电组分流失、粘附性能衰退等问题，限制了其在水下探索等领域的应用与发展。近年来，通过对导电凝胶进行耐水性能的设计，研究人员实现了导电凝胶基可穿戴传感器的水下传感领域的应用，促进了该领域的研究快速发展
　　近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员、肖鹏副研究员和魏俊杰博士基于在耐水导电高分子凝胶的构筑及其水下传感方面的研究基础，在Advanced Materials上发表题为“Water-Resistant Conductive Gels Toward Underwater Wearable Sensing”的综述文章（Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202211758）。

耐水导电凝胶的设计策略与水下传感应用

　　在该综述中，作者首先对提高导电凝胶耐水性的方法进行了总结，归纳提出了封装设计、疏水网络结构和多重交联作用这三种耐水设计策略，并详细讨论了各种策略的耐水原理、具体设计方法以及存在的优缺点，从而为未来的耐水导电凝胶设计提供指导。随后对用于水下传感领域的耐水导电凝胶的多功能性质进行了介绍。除了水下稳定性之外，探讨了耐水导电凝胶的拉伸性质、水下粘附性质、水下自修复性质、可回收性质和3D打印性等性质对导电凝胶基水下可穿戴传感器的传感性能和制造加工工艺的影响，并重点讨论了这些性质的优化改善方法。此外，对现有耐水导电凝胶在水下传感领域的具体应用方向进行了汇总，着重总结了耐水导电凝胶在水下运动感知、水下健康监测、水下通讯、水环境分析几个方向的研究进展，并分析了耐水导电凝胶在这些应用中存在的不足，为未来的水下传感研究指明了方向。
　　尽管导电凝胶的耐水设计和传下传感研究已经取得了一定的成果，但该领域的发展尚处于起步阶段，仍然存在一些问题和挑战亟需解决。导电凝胶在水环境中的传感性能与陆上性能有着明显差异，相关的水下传感机制和传感模型有待进一步阐明；耐水导电凝胶的水下稳定性和水下传感性能测试还没有标准的方法，亟需建立统一的检测方法进行有效对比和评估；在耐水导电凝胶和水下可穿戴传感器的多功能设计上需要进一步努力，例如实现基于变色功能的可视化感知、基于自清洁功能的抗污能力和基于生物可降解的环境友好等。为了满足耐水导电凝胶基水下可穿戴传感器的实际应用需求，需要进一步发展与水下可穿戴传感器匹配的无线传输技术和自供能技术；如何实现多感知功能和多技术模块在水下凝胶传感系统中的一体化集成，尤其是如何实现“软”凝胶材料与“硬”电子元件的稳定界面结合依然是该领域需要面临的一个重要挑战。
　　该论文得到了国家自然科学基金（51773215）、中国博士后科学基金（2021M690157、2022T150668）、宁波市自然科学基金（2121J206）、国家重点研发计划项目（2022YFC2805204、2022YFC2805202）等项目的支持。