Reversible Polymeric Gels and Related Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Russo, Paul S. (EDT)

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页数:0

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出版时间:

价格:75.95

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isbn号码:9780841214156

丛书系列:

图书标签:

• Polymeric gels
• Reversible gels
• Stimuli-responsive materials
• Hydrogels
• Self-healing materials
• Biomaterials
• Soft matter
• Polymer chemistry
• Material science
• Smart materials

《高分子凝胶的动态重构与功能调控》 内容简介 本书深入探讨了高分子凝胶在动态重构过程中的内在机制，以及如何通过精妙的化学与物理调控实现其功能的定向设计与优化。高分子凝胶，作为一类由三维网络结构支撑、能够吸收并保持大量溶剂的软材料，其独特的可逆网络特性赋予了其前所未有的灵活性和多功能性。本书聚焦于那些能够响应外界刺激（如温度、pH、光、电场、化学物质等）而发生结构和性质变化的“响应性凝胶”以及更进一步的“动态重构凝胶”。这些材料不再是静态的实体，而是能够根据环境变化进行自我组装、拆卸、重构甚至修复的智能材料，为下一代功能性材料的设计提供了广阔的舞台。 第一章：高分子凝胶的基础理论与制备方法 本章将从高分子凝胶的基本概念入手，系统介绍其形成机理、网络结构特性以及宏观性质（如溶胀比、机械强度、凝胶化转变温度等）与微观结构之间的关系。我们将回顾聚合物单体选择、交联剂种类、聚合动力学以及溶剂选择等关键因素对凝胶网络形成的影响。在此基础上，本章将详细阐述多种制备高分子凝胶的经典方法，包括自由基聚合、缩聚、开环聚合以及生物诱导合成等，并结合实例分析不同制备方法的优缺点及其适用范围。重点将放在如何通过精确控制聚合条件和成分，获得具有特定网络拓扑结构和交联密度的凝胶，为后续的功能化设计奠定基础。 第二章：响应性凝胶的刺激响应机制 本章将聚焦于高分子凝胶的“响应性”，即其对外界刺激的敏感性。我们将深入剖析不同类型刺激（温度、pH、离子强度、光照、电场、磁场、应力、化学分子等）如何作用于高分子凝胶网络，引发其体积、形状、溶胀度、透明度、机械性能等发生可逆变化的内在机制。例如，我们将详细介绍聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）在温度变化下的溶胀-收缩行为，聚丙烯酸（PAA）和聚乙烯亚胺（PEI）等聚电解质凝胶在pH变化下的体积响应，以及含光响应性基团的凝胶在光照下的形变。本章将通过热力学和动力学模型，解释这些响应过程的分子层面的驱动力和速率，为设计具有特定响应行为的凝胶提供理论指导。 第三章：动态重构凝胶的设计原理与合成策略 本章将重点阐述“动态重构”这一核心概念。与传统的不可逆交联凝胶不同，动态重构凝胶（DRGs）的网络节点并非永久固定，而是通过可逆键合（如氢键、离子键、金属配位键、超分子相互作用、动态共价键等）连接。我们将深入探讨这些动态键合的性质，如键合能、解离/结合速率、以及在不同环境下的稳定性。在此基础上，本章将详细介绍设计和合成DRGs的多种策略，包括： 基于非共价相互作用的DRGs： 利用氢键、π-π堆积、疏水相互作用、金属-配体配位等弱相互作用构建可逆网络。 基于动态共价化学（DCvC）的DRGs： 引入易发生可逆转化的动态共价键，如二硫键、硼酸酯键、席夫碱、 Diels-Alder反应产物等。 自修复凝胶： 讨论利用动态键合实现凝胶的自愈合机制，包括损伤识别、动态节点重组以及断裂界面愈合的过程。 自重组凝胶： 探讨在外界刺激下，凝胶网络节点发生迁移、重排，从而实现宏观形变或结构改变的原理。 本章将结合具体合成案例，展示如何通过选择合适的单体、交联剂和响应性分子，精确调控凝胶的动态行为。 第四章：动态重构凝胶的形变与驱动机制 凝胶的形变能力是其“动态”特性的重要体现。本章将深入研究驱动DRGs发生形变的各种机制。我们将讨论以下几个方面： 化学刺激驱动的形变： 例如，pH或离子强度变化引起的凝胶内部酸碱度或离子浓度梯度，从而驱动溶剂流动和体积变化，导致整体形变。 温度刺激驱动的形变： 基于响应性聚合物的热膨胀或收缩效应，引发凝胶的形变。 光响应性形变： 引入光致异构化、光致聚合/解聚等基团，利用光能驱动凝胶发生精确的空间形变。 电场/磁场驱动的形变： 将导电性或磁性纳米粒子引入凝胶，或利用聚合物本身的极性，使其在电场或磁场作用下发生形变。 溶剂迁移驱动的形变： 探讨凝胶内部溶剂分布不均引起的渗透压差，以及外部溶剂吸附/脱附对形变的影响。 本章将分析这些形变过程的能量转化效率、响应速率以及可控性，为设计用于驱动的智能执行器提供理论依据。 第五章：动态重构凝胶的功能化与应用 本章将重点介绍DRGs在多个前沿领域的应用潜力。我们将详细探讨如何通过对其动态重构和响应特性的调控，赋予凝胶各种复杂的功能： 仿生功能材料： 模拟生物组织（如肌肉、皮肤）的自适应性、自愈合性和动态响应能力，开发人工肌肉、智能皮肤等。 药物递送系统： 设计对生理信号（如pH、葡萄糖浓度、酶活性）敏感的DRGs，实现药物的靶向释放和按需递送。 传感器与检测器： 利用凝胶对特定化学物质或物理量的敏感响应，开发高灵敏度、高选择性的化学传感器和生物传感器。 可编程材料与软体机器人： 构建能够响应复杂指令、执行复杂任务的DRGs，用于开发新型软体机器人、可穿戴设备和智能柔性电子器件。 组织工程与再生医学： 利用DRGs的生物相容性和可塑性，作为细胞支架，引导组织再生和修复。 智能分离与吸附材料： 开发能够根据环境变化选择性吸附或释放目标分子的DRGs，用于水处理、气体分离和催化反应。 本章将通过大量具体的研究案例，展示DRGs在上述领域的最新进展，并探讨其面临的挑战和未来的发展方向。 第六章：理论模拟与表征技术 为了更深入地理解DRGs的结构-性能关系，本章将介绍相关的理论模拟方法和先进的表征技术。我们将讨论分子动力学模拟、蒙特卡洛模拟、粗粒化模拟等计算工具在预测凝胶网络行为、理解动态键合机制以及模拟宏观形变过程中的作用。在实验表征方面，本章将涵盖用于分析凝胶网络结构、交联动力学、刺激响应行为以及机械性能的多种技术，包括但不限于： 散射技术： 小角X射线散射（SAXS）、小角中子散射（SANS）、动态光散射（DLS）等，用于研究凝胶的微观结构和链构象。 光谱技术： 核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）等，用于表征化学键、官能团以及响应性基团的变化。 力学测试： 动态力学分析（DMA）、拉伸/压缩测试、原子力显微镜（AFM）力谱等，用于量化凝胶的机械性能和动态模量。 显微成像技术： 透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）等，用于观察凝胶的微观形貌和内部结构。 原位表征技术： 结合刺激源（如加热台、pH计、光照设备）的原位表征，实时监测凝胶在响应过程中的结构和性能变化。 通过结合理论预测和实验验证，本章旨在为读者提供一个全面理解和设计DRGs的工具箱。 结论与展望 本书的最后一章将对全书内容进行总结，并对动态重构凝胶及相关系统的未来发展方向进行展望。我们将讨论当前面临的主要挑战，如提高动态键合的稳定性与可控性、优化刺激响应的速度与灵敏度、实现大规模可控合成以及降低制造成本等。同时，我们将强调跨学科合作的重要性，以及DRGs在推动材料科学、化学、工程学、生物学以及医学等领域交叉融合方面的重要作用。本书的目的是激发研究人员和工程师的创造力，推动这一充满潜力的材料领域不断向前发展，为解决人类面临的诸多挑战提供新的解决方案。

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