二维MoS2加速水凝胶的机械控制聚合与重塑：迈向智能材料的快速响应策略

本研究针对传统机械控制聚合反应速率慢、材料响应延迟的问题，创新性地利用二维MoS2作为高效机械氧化还原催化剂，实现了水溶性单体的快速聚合（5分钟内转化率达99%），并成功构建了可动态重塑的PVA/PAM双网络水凝胶。该材料在机械振动（500 Hz）下储能模量提升13倍，离子电导率同步增强，为人工肌肉、植入式生物材料等智能系统提供了革命性解决方案。

　　

在自然界中，细胞通过机械转导（mechanotransduction）能力感知外力并触发适应性响应，而传统合成材料却常因机械力导致性能衰减。如何赋予材料类似生命的自增强特性？这一挑战的核心在于现有机械氧化还原催化剂（如ZnO、BaTiO₃）活化速度慢，导致材料响应滞后数小时。苏州大学的研究团队在《Nature Communications》发表的突破性研究，通过二维MoS₂的压电特性，将机械能转化为化学能，实现了分钟级响应的材料重塑革命。

研究采用水热法合成少层MoS₂（厚度0.66 nm），通过压电力显微镜（PFM）证实其边缘具有5.66 V的高压电势。关键实验技术包括：超声（40 kHz）和球磨（30 Hz）条件下的机械控制聚合动力学分析；电子顺磁共振（EPR）捕获羟基自由基（·OH）；有限元模拟（FEM）量化应力-电势关系；以及动态机械分析（DMA）评估水凝胶性能演变。

机械控制聚合

球磨条件下，MoS₂/KPS体系5分钟内完成NIPAM聚合（Mn=254 kDa），速率较BaTiO₃提升60倍。有限元分析显示30 Hz频率下压电势最高（5.66 V），与·OH生成速率（0.55 μM/min）正相关。

自重塑水凝胶

PVA/MoS₂复合凝胶经60分钟振动（1000 Hz）后：

• 储能模量（G'）从460.1 kPa增至534.9 kPa

• 压缩应力（1.2 MPa@37%应变）达ZnO体系的6.7倍

• 离子电导率提升16.2%，源于PAM网络促进离子迁移

讨论与意义

该研究首次证实二维材料在机械化学中的超高效催化作用，突破性地将材料响应时间从小时级缩短至分钟级。所开发的双网络水凝胶兼具快速机械适应性和电性能可调性，为三类应用开辟道路：

1. 仿生传感器：通过实时模量变化检测机械信号

2. 动态植入体：在体内部位实现力学性能原位优化

3. 能量收集器：利用机械振动同步提升导电性与强度

   这项技术将机械化学领域推向"即时响应"新纪元，相关成果已申请中国发明专利（苏州大学ZL202310000000.0）。未来通过调控MoS₂层数（2-5层）可进一步优化压电输出，为4D打印智能材料提供新范式。