水凝胶是一种交联聚合物网络，在保持完整性的同时，在水中可吸收高达其干重1000倍的水分，而且其具有高度可调的吸附特征、生物相容性和易于制造等优势，从而成为已往几十年基础和应用研究的中央。因此，水凝胶被用于许多常见产物，如尿布和隐形眼镜，以及新兴质料的应用。此外，水凝胶的一个稀奇有远景的用途是在农业上：将干燥的水凝胶颗粒混合到土壤中可以吸收雨水或浇灌水，起到储水池的作用，从而在干旱的时刻为植物补水。这一想法的一些田间试验似乎令人鼓舞，水凝胶改良土壤大大提高了作物产量，同时使用更少的水。然而，其他试验显示，效果不太有利，水凝胶改良剂对作物生长的益处微乎其微，反而对土壤弹性模量和颗粒填充密度发生晦气影响。效果差异的缘故原由仍然令人困惑，其缘故原由在于人们对水凝胶在土壤中若何膨胀的明白不足。由于无法在不透明的颗粒介质中考察水凝胶，甚至缺乏这一历程的基本特征。因此，水凝胶的现实应用是通过频频试验来举行的，这发生了高度可变的效果，限制了水凝胶在农业中的广泛应用，以及在其他应用中，如石油开采、修建、机械生物学和过滤。
鉴于此，美国内华达大学Sujit S. Datta通过直接考察三维颗粒介质中水凝胶的溶胀，证明了水凝胶的溶胀水平是由渗透性溶胀引起的水凝胶所施加的力与周围颗粒所通报的约束力之间的竞争决议的。此外，介质自己可以通过水凝胶溶胀来重构，这是由渗透溶胀力、约束力和粒间摩擦之间的平衡所决议的。总之，该研究效果为展望水凝胶在限制条件下的行为提供了定量原则，从而有可能改善其在农业中的用途，并为其他应用（例如采油、修建、机械生物学和过滤）提供信息。
文章亮点：
1、首次直接可视化具有可调约束应力和晶粒尺寸的模子三维（3D）颗粒介质中水凝胶的膨胀行为。原位丈量了两个以前无法丈量的要害量：水凝胶溶胀水平和介质重构。
2、研究发现与施加渗透压或静水压差别，颗粒介质中的限制使水凝胶外面蒙受空间上不均匀的应力。因此，作者扩展了经典的Flory-Rehner水凝胶溶胀理论，将其与赫兹接触力学相耦合，明确地处理了介质在水凝胶颗粒接触处发生的应力。
3、行使这种方式，作者解释，水凝胶的膨胀水平取决于水凝胶施加的渗透膨胀力与周围颗粒通报的约束力之间的平衡。此外，作者证明了相同力的平衡（还包罗晶间摩擦）决议了周围介质的重组最先。
图1 限制在3D颗粒介质中的水凝胶的溶胀
图2 随时间转变的水凝胶膨胀特征图
图3 水凝胶溶胀是由渗透溶胀和局部限制之间的竞争决议的
图4 不平衡的水凝胶溶胀重构了周围的介质
原文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/7/eabd2711
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