Intrinsische Anti-Frost- und einzigartige Photolumineszenz von glasartigen Hydrogelen mit ultrahoher Steifigkeit und Zähigkeit bei tiefen Temperaturen

Zusammenfassung Die meisten Hydrogelen gefrieren bei subzero Temperaturen, was zu verschlechterten Eigenschaften und begrenzten Anwendungen führt. Kryoprotektoren werden massiv eingesetzt, um die Anti-Frost-Eigenschaften von Hydrogelen zu verbessern; jedoch sind damit auch Nachteile verbunden, wie unterschiedliche Netzwerke, reduzierte mechanische Eigenschaften und das Risiko eines Lecks von Kryoprotektoren in wässrigen Umgebungen. Hier wird das glasartige Hydrogel mit intrinsischen Anti-Frost-Eigenschaften und ausgezeichneten optischen und mechanischen Eigenschaften bei ultratiefen Temperaturen vorgestellt. Supramolekulares Hydrogel aus Poly(acrylamid-co-methacrylsäure) mit moderatem Wassergehalt (≈50 Gew.%) und dichten Wasserstoffbrückenassozationen befindet sich bei Raumtemperatur in einem glasartigen Zustand. Da Wasserstoffbrücken bei sinkender Temperatur stärker werden, wird dieses Gel stärker und steifer, bleibt jedoch dennoch duktil, mit einem Young'schen Modul von 900 MPa, einer Zugfestigkeit von 30 MPa und einer Bruchdehnung von 35 % bei −45 °C. Dieses Gel behält auch bei flüssigem Stickstoff eine hohe Transparenz. Es zeigt auch eine einzigartige Photolumineszenz aufgrund der Anwesenheit von Carbonyl-Clustern, die bei subzero Temperaturen weiter verstärkt wird. Weitere Untersuchungen zeigen, dass die intrinsische Anti-Frost-Eigenschaft damit zusammenhängt, dass die meisten Wassermoleküle fest gebunden und in der glasartigen Matrix eingeschlossen sind und nicht gefrierbar werden. Diese Korrelation, die in mehreren Systemen validiert wurde, bietet einen Fahrplan zur Entwicklung intrinsischer Anti-Frost-Hydrogelen für weitreichende Anwendungen unter extremen Bedingungen.