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  生物體系普遍具備熱塑性：能憑既往熱暴露自調節耐受閾值；但合成水凝膠難以在“純熱輸入”下獲得同等熱記憶。傳統熱敏凝膠（如PNIPAm）其T_c由配方限定、對熱史不敏感；部分“記憶”方案又依賴外加機械/光/化學刺激，或僅呈滯后與動力學陷阱，未能在熱力學上重編程相變平衡。因此，亟需一種在固定組成下、僅憑熱軌跡即可自洽寫入并讀出閾值的材料范式，以彌合生物適應性與合成體系間的差距。

  中山大學楊國偉教授和廣東工業大學高粱副教授聯合在《Advanced Materials》發表了關于可編程“熱記憶”水凝膠（TP-gels）的研究成果，提出了一種基于聚乙烯縮丁醛（PVB）的熱塑性水凝膠，通過“熱適應溶脹—彈性受限相分離”的協同機制將熱史寫入并可編程調控相變閾值（T_c），為信息加密、熱調光與復雜環境自適應提供了新的材料學解決方案。該工作以“Thermoresponsive Hydrogel with Thermal Memory”為題（Adv. Mater: 2025,e11341），

  該研究報道了一類具備生物式熱塑性（thermal plasticity）與熱記憶能力的聚合物水凝膠（TP-gels）。受珊瑚共生體馴化的啟發，材料以聚乙烯縮丁醛（PVB）為網絡基體，在固定化學組成前提下，通過變溫溶脹（T_s）—彈性約束—相分離的耦合機制，將“熱史”寫入凝膠的平衡含水量與網絡彈性，實現相變閾值 T_c的可編程調節（T_c = T_s + ΔT），ΔT變化為3-7℃；并可經再次在較低T_s重溶脹實現“擦除與重寫”。與PNIPAm等傳統熱敏凝膠相比，TP-gels的T_c不再是配方常數，而是由熱軌跡編程定義；其ΔT隨T_s單調增大、~300次循環穩定、且彈性介導的TP-gels在熱編碼期間穩定在亞穩態附近，可以防止過早的相分離。該范式為熱信息加密、空間熱力學編程配置，軟體器件熱適配提供通用材料學平臺。

一、生物啟發和熱塑性調控機制

圖1：模仿珊瑚共生體的熱塑性（Thermal Plasticity, TP）的設計理念。

圖2：策略性熱調節(通過變溫溶脹)將熱塑性行為編碼到水凝膠中。

  自然界（如珊瑚—共生藻體系）通過“熱訓練—閾值上調”抵御熱脅迫。受此啟發，作者提出合成熱塑性水凝膠（TP-gels）的設計：讓材料僅借助熱軌跡實現“感知—存儲—調用”三步閉環，即在溶脹階段編碼熱史、在后續升溫階段以可移位的T_c讀出。

二、熱塑性TP-gels的科學設計與制備

圖3：TP-gels的制備及其熱塑性行為。

  體系選用PVB，先制得干膜，再于不同T_s（13~60°C）的水中達平衡溶脹，獲得透明凝膠。此時，水作為弱溶劑在分子尺度上破壞部分氫鍵團簇并誘導疏水丁縮醛側鏈聚集，形成短程有序域充當物理交聯點，而無序線團提供橡膠彈性。平衡態的含水量?′_weq(T_s)與網絡彈性模量G_e(T_s)共同決定系統在相圖中的初始坐標，使后續升溫觸發的相分離閾值體現出對既往T_s的記憶。

  （1）可編程閾值：實驗表明ΔT與T_s近似線性相關，例如經13°C與60°C溶脹的樣品，其 T_c分別約為16°C（ΔT≈3°C）與67°C（ΔT≈7°C）。因此在固定配方下，僅通過改變T_s即可連續調諧T_c。

  （2）可擦寫重編程：將已編碼樣品在較低T′_s重新溶脹，可將T_c下調到新的可讀閾值，實現非易失且重寫，與生物熱馴化相呼應。

三、關鍵表征與科學驗證

圖4：TP-gels的熱塑性溶脹及彈性相分離。

  （3）自適應溶脹熱力學：?′_weq隨T_s提升而顯著下降，對應的Flory–Huggins作用參數χ(T_s) 升高，表明聚合物-水相容性降低是熱適應溶脹的主驅；與此同時，G′呈平臺、且G_e隨T_s增大（≈19→70 kPa），揭示網絡彈性隨“熱史設定”而被重構。

  （4）彈性約束的相分離：相變過程符合成核-長大機制；網絡彈性提供的限域壓力抬高成核勢壘，避免溶脹階段即“提前發白”。理論上，最小過飽和度S_min與G_e通過lnS_min∝G_e關聯；實測將不同T_s數據折疊到同一主曲線，證實“彈性-相分離耦合”是ΔT擴展的根源。

  （5）對比與穩健性：化學或物理交聯的PNIPAm體系的T_c主要由組成決定，幾乎不受T_s影響，難以實現可編程；而TP-gels可在~300次加熱-冷卻循環中保持穩定的光學對比與閾值復現性。

圖5：多溫度點順序觸發加密設備的設計和操作原理。

  （6）熱信息加密/順序解密：在同一器件上通過空間分區T_s編程，建立T_c梯度作為“熱鑰匙”，實現按溫軌跡次第顯隱。

  TP-gels用一個簡潔而普適的流程——“變溫溶脹寫入+彈性受限讀出”——把熱經歷編碼進材料，并把相變閾值轉化為可編程的“信息位”。這一范式打破了傳統熱敏凝膠“定配方→定 T_c”的天花板，展示了可寫、可讀、可擦的熱記憶物質形態。

  該工作第一作者為中山大學材料科學與工程學院博士生潘佳耿以及廣東工業大學碩士生楊梓燦。通訊作者為高粱副教授以及楊國偉教授。

  鏈接地址：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202511341