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智能材料相态变化中的水

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2019/07/01
Chinfo近红外小分队

在温度高于最低临界溶解温度(LCST)时温敏性聚合物的水溶液和水凝胶中出现相分离的现象。当温度低于LCST时，聚合物溶于水形成水溶液或吸水发生溶胀；一旦溶液温度超过LCST，聚合物则不溶于水发生相分离或脱水水凝胶收缩。由于其独特的性质，LCST聚合物在药物传递、组织工程和分子驱动等方面得到了广泛的应用。聚合物在水中处于溶解状态普遍被认为是由于聚合物通过氢键与水发生水合作用所致，当温度高于LCST时，聚合物的疏水基团释放出氢键键合的水和团聚体。水与聚合物的相互作用被认为是促使聚合物聚集和体积相变的关键因素。
目前，已有很多方法研究聚合物在聚集过程中的水化行为。Wu等人研究了低聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯在水中的水合作用。他们认为聚合物侧链的脱水在其自聚集过程中起着关键作用。他们还研究了聚(N-乙烯基己内酰胺)在水中的水合作用，表明在LCST以下的第一阶段以氢键转化为主，而在LCST以上的第二阶段以疏水相互作用为主。Cho等人研究了N-异丙基丙烯酰胺水溶液相变过程中键合水的变化，他们发现键合水被释放变成大体积的水导致了聚合物链的自聚集。Asakura论证得出温度在LCST以下时，自由水和聚合物表面结合的水分子之间发生快速的交换。Wu等人观察到聚合物链在水/甲醇团簇中更容易坍塌，表明水的活性减弱阻碍了聚合物链的水合作用。因此，水在聚合物的聚集过程中可能起着重要的作用。为了解水在相变过程中的作用，还需要进一步的研究。
近红外光谱技术已被广泛的应用于水结构的研究中。由于水的近红外光谱响应较强，不同氢键数的水团簇可以与自由水的近红外光谱区分开。为了研究在各种扰动因素下(如温度)水的特征吸收模式，水光谱组学的概念被提出。NIR水光谱组学提供了与淀粉样蛋白和离子(例如离子液体或盐)水化有关的水动力学的精确描述。利用近红外光谱和化学计量学方法分析测定了不同温度下水溶液中人血清白蛋白或卵清蛋白的二级结构和水的变化。在我们之前的研究中，建立了近红外光谱与温度之间的定量关系，利用水的变化检测了葡萄糖的含量并估算了正烷烃和水-乙醇混合物的组成。用温控近红外光谱还分析了脂肪胺的氢键以及寡肽、蛋白和人血清样品的水合作用。此外，还分析了葡萄糖诱导的水结构变化和水在球状蛋白凝胶化过程中的作用，以了解其生物学过程。水已被证明是近红外光谱分析水溶液中溶质的信息的良好探针。
在聚合物溶液和水凝胶中水的变化还需深入探究，来探索微观世界中水对智能高分子聚合物的神奇魅力。

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