大阪工业大学的研究团队成功开发出了一种吸水膨胀，能像“举重”一样撑起放置在上方重物的立方体高分子凝胶粒子。吸水性材料已经在一次性纸尿裤等领域实用化，但非球形的粒子种类较少，制造工序也较繁琐。此次开发的凝胶的特点是，仅需用塑料板围住液体即可制备。由于该材料无需电力即可抬起重物，研究团队表示其“实现了环境友好型的动力获取”。
干燥状态的凝胶粒子遇水后膨胀，利用膨胀力实现“举重”（供图：大阪工业大学）
大阪工业大学工学部应用化学科的藤井秀司教授（界面胶体化学、高分子化学）一直从事内部封装液体的球形“液体弹珠”研究。液体弹珠是由微小固体粒子包裹内部液体形成的结构，可用作高分子凝胶合成的“反应容器”。
高分子凝胶粒子受表面张力作用，通常呈球形，易于滚动。在微观世界中观察它时，可见高分子呈网状连接结构，其中网络间隙可捕获水分子或油分子。
非球形凝胶因其在介质中的运动、变形及聚集行为具有独特性，且能展现出球形凝胶不具备的功能，因而受到关注。特别是活用其表面积大和各向异性相互作用等特性，有望在医疗、机器人学、超小型机械等各类领域发挥作用。
研究团队聚焦于高亲水性的聚乙二醇-聚甘油系单体。他们将数微升聚乙二醇-聚甘油系单体夹在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）板之间时，发现单体会贴合PET板的形状，可自由变为圆形、方形等多种形态。聚合完成后剥离板材，即可获得与单体形状一致的高分子粒子。
正多面体凝胶粒子。大小为1～2毫米，吸水后保持原有形状膨胀，不会变形（供图：藤井秀司教授）
研究团队通过调控板材的形状、数量以及单体的体积，最终成功制备出了正四面体等拥有正多面体形状且结构稳定的液体弹珠。进一步对该液体弹珠内部的单体进行聚合，从而合成出了与液体弹珠形状一致的正多面体高分子粒子。
向正多面体粒子滴加水后，高分子吸水膨胀，转化为凝胶粒子。将4个制备成立方体形状的干燥状态的凝胶粒子排列成正方形，在其上放置总质量约10克的玻璃板和重物。加水后，粒子沿高度方向膨胀至原高度的约1.6倍，重物对抗重力被抬起。
一般而言，抬升物体需要使用电力或磁力驱动，而采用本次开发的物质，仅需加水即可实现抬升。藤井教授表示：“通过制成立方体结构，粒子与地面更容易产生摩擦力，因而不易移动，位置稳定性得到提升，这是球形凝胶粒子不具备的优势。”未来，除纯水外，研究团队还计划开发可在酸性、碱性溶液等物质中膨胀的凝胶，并持续进行改良，使其能够应用于各种用途。
本研究得到了日本学术振兴会科学研究费资助项目以及阪本药品工业株式会社（大阪市）的赞助。阪本药品工业还提供了材料单体。相关研究成果已发表在美国化学会期刊《Langmuir》电子版的3月7日刊上，大阪工业大学于3月12日公布了该成果。
日文：JST Science Portal 编辑部
中文：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Langmuir
论文：Solvent-Free Synthesis of Shape-Programmable Hydrogel Particles Using Polyhedral Liquid Marbles
DOI：10.1021/acs.langmuir.5c06259
