1 引言
凝聚态化学以基本粒子通过稳定的黏连关系凝聚形成的具有特定组成、多层次结构与性质和功能的物质凝聚态为研究对象，具有丰富的内涵概念和广泛的外延空间，是解释各种化学反应现象和探究化学反应机制的强有力工具
［1-3］。利用凝聚态化学思想对物质组成和结构进行分析，厘清不同层次结构之间的差异性，建立结构与功能之间的关联，从而进一步推动功能材料体系的合理化设计是凝聚态化学的研究重点之一
［4］。通过选择不同材料体系或结构体系，根据其内在本征特点，挖掘其中蕴含的凝聚态化学思想是扩展凝聚态化学研究范围的重要手段
［5］。虽然凝聚态化学在化学研究的多个领域都有广泛应用
［6-8］，但选择恰当的研究体系，将凝聚态化学概念深入其中仍对体系的深刻理解和进一步挖掘具有重要意义
［9-13］。
作为一类典型的材料体系，根据环境条件的变化，凝胶一般具有介于液态和固态之间的物质形态和多层次网络结构，可以为化学反应提供多样的反应空间和独特的化学微环境，并通过调整组成和结构可应用于不同材料领域体系
［14］。凝胶的上述特点使其成为凝聚态化学的理想研究体系，可以使凝聚态化学的概念体现在凝胶研究的各个相关方面。在本文中，以凝聚态化学思想为核心，重点讨论凝聚态化学在凝胶制备策略中的应用，凝胶的多层次网络结构与凝聚态化学的关系，探讨凝胶结构的创新表征方法和技术，进一步理解凝胶的物理化学性质及其相关化学反应。最后，通过对凝胶体系在不同领域的典型应用体现凝聚态化学的意义和价值。需要指出的是，由于凝胶种类繁多，不同种类凝胶之间在制备、结构和性质等方面都具有较大差异，本文所述从凝聚态化学角度对凝胶的理解仅限于部分典型凝胶体系，并不能完全覆盖所有种类的凝胶。另外，虽然凝胶相关领域的综述数量庞大
［15-16］，分别从各种角度对凝胶的发展现状和存在的科学问题进行了详细阐述，但尚未有关于凝胶和凝聚态化学方面的报道。
2 凝胶的制备策略与凝聚态化学
在凝胶体系中，各组分之间通过适当强度的作用力相互连接，使体系黏度增大，失去流动性，形成介于液态和固态之间的物质。在这个过程中，各组分间作用力的精确调控对凝胶体系的成功构筑起到决定性的作用
［17］。当组成粒子之间的作用力强度过大时，各组分结合紧密，使体系失去多孔结构和弹性，变为致密固体材料。而当作用力较小时，其不足以产生支撑体系形状稳定的能力，从而以接近流体的形式存在。因此，如何通过简便的方法调控作用力是构筑凝胶的关键因素。结合上述作用力对体系结构产生的影响，将不同强度的作用力引入到体系中是解决问题的有效手段之一。依据凝聚态化学的思想，将原子、离子或分子等基本粒子通过强作用力，如共价键和配位键等，形成具备各种结构和功能的构筑块，再通过调控构筑块之间的作用强度来实现凝胶体系的制备。比如，在构筑块之间引入氢键相互作用，并通过外界刺激对氢键的数量、强度和存在方式进行控制，即可实现对凝胶结构和形态的调控
［18］。凝胶体系中各构筑块内部组分之间具有稳定的连接关系，使其结构在较大范围内保持稳定，在制备凝胶体系过程中保持不变，仅需调控构筑块之间的作用力即可根据需要制备凝胶，极大降低了制备难度并提升了制备方法的通用性。通过这种策略，将凝胶的制备过程分解为多个阶段，虽然增加了合成的步骤，但分阶段调控的方法更有利于对合成过程和产物结构的精细调控，为进一步凝胶功能化奠定基础。另外，制备的不同种类构筑块具有一定的通用性，可以作为反应的中间产物与其他构筑块重新组合，获得新的凝胶材料。比如，金属气凝胶的制备过程可以分为两条线路：一步法直接从金属盐（线路1）到凝胶或先制备金属纳米粒子，然后再利用引发剂制备凝胶（线路2）（
图1）
［19］。虽然两步法的合成增加了合成步骤，但利用制备的中间体金属纳米粒子作为前体，经过进一步修饰，从而改变形成凝胶的形态（路线3和4）。
根据凝胶种类的不同，凝胶构筑块的结构也有所差异。对于高分子凝胶，可以将具有不同聚合度的高分子链段作为构筑块，其内部通过共价键连接，具有稳定结构，而构筑块之间一般通过氢键、亲疏水作用等分子间作用力调控，具有一定的刺激响应性。比如，由聚丙烯酰胺和聚衣康酸十二烷基甘油酯通过构筑块之间的氢键连接形成的水凝胶表现出强的自恢复性和抗疲劳能力
［20-21］。对于超分子凝胶，虽然构筑块内部也是通过非共价键连接，但一般是多重强作用力协同保持构筑块的稳定，而构筑块之间的作用力相对较弱，在外界刺激时容易发生变化从而具有响应性。在上述凝胶的设计和制备过程中，往往需要优先考虑设计构筑块内部的单元，在确保其能稳定存在后，再设计构筑块之间的作用力，利用这样基于分子层面之上构筑体结合的思路可以拆解凝胶的制备过程，通过简便的方法制备具有特定功能的凝胶。
3 凝胶的多尺度网络及表征方法和技术
3.1 凝胶的结构与凝聚态化学
凝胶分步制备策略的合理性来源于凝胶的多层次结构。虽然不同种类的凝胶结构存在一定的差异性，但大体上凝胶的结构可以类似于蛋白质被分为初级、次级和三级结构，其结构尺寸从埃、纳米到微米量级（
图2）
［22-23］。在初级结构中主要涉及分子水平的结合，凝胶的基本组成微粒，包括分子、离子甚至原子等通过共价键等强相互作用结合形成具有特定结构、形状和尺寸的初级构筑块。这些构筑块具有较高的内部结构稳定性和较强的连接作用力，能在外界条件发生较大变化时保持稳定存在。在凝胶的次级结构中，初级构筑块之间利用相对较弱的分子间作用力进行组合排列，获得纤维、胶束、囊泡和层等特定结构。相比于初级结构，次级结构的稳定性相对较差，一般通过调节温度或溶液pH值的方法即可破坏其结构或实现结构转变。另外，某些次级结构具有浓度依赖性，比如两亲性有机分子在水中发生聚集，在临界胶束浓度附近形成的胶束在浓度增加时会发生结构转变，形成其他次级结构
［24］。次级结构在更弱的环境条件变化下，比如溶剂调整等，发生相互缠绕和交联，使结构尺寸从纳米增长到微米级别，并获得较强的溶剂容纳能力，形成凝胶。次级结构之间的相互作用类型和强度决定了其是否能转变为三级结构，形成凝胶，或由于作用力强度过大使结构致密，失去容纳溶剂的空间，直接变为沉淀。凝胶的多级结构模型与凝聚态化学中具有特定组成和多层次结构的物质凝聚态的特点相吻合，这也进一步在凝胶体系中体现了凝聚态化学的思想。
虽然凝胶可以通过多种策略制备，且用于制备凝胶的材料体系繁多，但制备得到的凝胶结构都具有一些共同的特征。作为一个被广泛接受的概念，凝胶被认为在分析时间尺度上具有永久性连续结构和固态的流变行为
［25-26］。作为凝胶的本质特征，无论是水凝胶、有机凝胶、离子凝胶还是多相凝胶，一般都具有三维交联网络结构使其具有容纳溶剂的能力。这些网络结构的存在不但使凝胶具有较强的延展性和响应性，同时也提升了凝胶的机械性能，并且在承受较大负荷后仍能快速恢复到初始状态。对于大多数凝胶结构，其三维交联网络是多层次、多尺度的，即协同增强机制发生在不同层次结构的各个级别，从分子层次到微观纤维，再到宏观凝胶。多层次网络结构使凝胶在负荷过程中的能量耗散在多个维度展开，有效提升了凝胶的负荷能力。另一方面，凝胶的网络结构往往会以互穿的形式存在，从而进一步增强了网络的强度。在凝胶的交联网络体系中，交联剂起到至关重要的作用，不但对交联密度有重要影响，而且决定凝胶网络构筑块之间的作用强度，是凝胶性能的决定性因素之一。一般来说，共价键的破裂会为凝胶带来永久性损伤，而分子间作用力或动态共价键的损坏则可以在特定条件下被修复，使凝胶具有自修复能力。
3.2 凝胶的结构表征方法和技术
由于凝胶具有多层次网络结构，并且各层次结构的尺寸从埃量级一直增长到微米甚至毫米量级，所以对凝胶的表征也包含了从微观结构到介观，再到宏观结构的整个尺度范围（
图3）。考虑到凝胶结构的大尺度范围和相对无序的特性，对凝胶结构的准确表征往往需要结合多种技术手段，并根据每种技术手段给出的结构信息进行综合分析判断，最终获得对凝胶结构的清晰认识
［27］。关于凝胶结构中基本粒子的分子内化学键和分子间作用力情况，如共价键、氢键和静电作用等，可以通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）或拉曼光谱（Raman）中相应位置峰位的变动进行表征和确认。对于凝胶结构中相对有序的组装体结构测试，有多种实验方法，既可以通过广角和小角X射线衍射（统称为XRD）获得，也可以通过广角和小角X射线散射（W/SAXS）方法进行表征，依样品条件和自身实验条件而定。另外，电子显微镜也是凝胶结构形态的重要表征工具。利用透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）可以对凝胶中纳米级别的形貌进行精确展示，并进一步与X射线衍射和散射的结果相互印证。同时，冷冻透射电子显微镜也为原位观察凝胶的状态提供了技术支持。相比于透射电子显微镜，扫描电子显微镜（SEM）可以提供更大尺寸的视野，更有利于说明凝胶的整体形貌特征。需要指出的是，在电子显微镜测试的样品制作中往往需要经历干燥的过程，这有可能在一定程度上改变原有凝胶的结构和孔隙大小等，需在结构分析中予以适当考虑。在更为宏观的尺度上，利用光学显微镜（OM）观察凝胶，尤其是水凝胶和有机凝胶的溶胀行为可以给出凝胶的交联程度等方面的信息，为凝胶的进一步材料化和功能应用提供参考。
除传统表征手段外，针对凝胶体系中更细微结构变化的表征方法也被逐渐开发出来。比如，为动态捕捉快速凝胶化的动力学过程，以及胶体局部结构的各向异性行为，可以利用一种基于微米级磁性探针的凝胶近界面流变性质表征方法，从而以更小的尺度和更快的速度以及更高的精度观测凝胶化早期局部形成的簇群结构对凝胶黏弹性质的影响
［28］。另外，利用动态光散射技术建立的颗粒布朗运动速度与粒径的关系也是说明凝胶结构的重要手段，近期更被用于揭示复杂凝胶体系中弱键的动态结合和解离，并由此建立多层次微观动力学普适性定律，发展了凝胶中弱键强度和交联密度的表征方法
［29］。
4 凝胶的物理化学性质和化学反应
4.1 凝胶的物理化学性质
凝胶具有多层次网络结构和介于固体和液体的中间状态，可以将多种不相容组分集成到一个状态中，带来新的化学特色，这些特点也决定了凝胶的热力学性质和机械性能。在热力学性质方面，凝胶的组成，包括构筑块的种类和交联密度等，与凝胶的热稳定性密切相关，决定了凝胶发生分解、收缩或膨胀的温度。其中，在玻璃化转变温度之上时，凝胶一般呈现柔软且富有弹性，而在此温度之下，凝胶则表现为硬且脆的玻璃态。从凝聚态化学角度来看，凝胶的这种行为表现主要基于通过稳定的黏连关系凝聚形成的构筑块之间的作用力，而不是直接来源于分子或离子等基本单元。此外，凝胶玻璃化转变温度又与凝胶的热容有关，当凝胶的热容较大时，其升温或降温所需热量较大，也进一步影响了凝胶的相变行为。从能量角度来看，凝胶在相变过程中的熵和焓也一并发生变化，通过量化计算等方法对凝胶各个阶段的熵变和焓变进行评估和测算将更有利于说明凝胶转变的机理。
凝胶的机械性能是凝胶材料功能化的基础，相关表现也决定于其组成结构，并与结构间存在相互印证关系
［30］。比如，对于特定组成的凝胶，其机械性能可以通过交联密度来控制，而交联密度可以进一步利用热聚合、光聚合或催化聚合等方式来提升。流变测试是凝胶机械性能的重要表征手段，通过应力和应变曲线可以定量获取凝胶的储能模量和损耗模量等黏弹性参数，以及黏度和屈服应力等关键指标。利用上述参数指标可进一步阐述凝胶的储能与耗散平衡、剪切行为以及刺激响应性等，有利于深入理解结构与性能之间的关系。作为凝胶重要的机械性质，黏弹性还可以通过包括杨氏模量、断裂应力和断裂应变等参数进行表征，并通过单立柱拉伸等方法获得。而凝胶的可压缩性则可以通过压缩模量来表征，同时还可以根据拉伸-松弛循环检测凝胶的抗疲劳性。若凝胶的厚度太小，不足以进行拉伸或压缩实验，可通过穿刺或纳米压痕的手段对凝胶的韧性和抗疲劳性进行评估。总之，凝胶的物理化学性质源自于凝胶中各组分之间的作用力类型和强度，即凝聚态化学中各构筑块间的结合方式和强度，通过对凝胶物理化学性质的研究也能在一定程度上说明其结构特征。
作为实验手段的重要补充，理论计算模拟也在凝胶研究中占据重要地位，常用的方法包括基于量子力学原理的密度泛函理论、通过随机抽样获取系统统计性规律的蒙特卡罗模拟和基于牛顿运动定律的分子动力学模拟等。理论计算模拟方法可以贯穿凝胶研究的各个阶段，包括制定合成策略、完成结构解析、实现作用力调控以及机械性能预测等。通过计算模拟可以优化凝胶组成，确定最低能量态的结构形式，指导凝胶的合成过程。此外，计算模拟还可以用于探究凝胶中不同链段之间的相互作用强度以及各作用力对维持凝胶结构的贡献比例。在凝胶的计算模拟过程中，利用粗粒化模型不但可以极大减小计算量，而且能够保持粒子之间的相互作用特征和关键结构。在凝胶性质研究方面，通过计算模拟可以获得凝胶在不同外力下的响应性，进而计算凝胶的弹性模量、硬度和柔韧性等力学参数。在计算模拟的过程中，充分考虑凝胶体系中液态凝聚体和固态凝聚态的差异，以及相互之间的界面作用力特点将有望进一步提高计算模拟的准确性。
4.2 凝胶体系中的化学反应
相比于在液态、固态和气态条件下进行的化学反应，其在凝胶体系中表现出独特的性质特征。由于凝胶体系的流动性远小于液体，从而使反应物分子运动受限，在体系中的扩散速率明显降低（
图4a）。另外，受凝胶体系中网络孔隙大小的影响，对反应底物的尺寸具有一定的限制，但同时也增强了特定反应的选择性，抑制了大尺寸产物的生成。凝胶中化学反应的另外一个特点是由于反应物的移动受限，其在凝胶中会形成局部浓度梯度，从而影响反应动力学，甚至改变反应过程。虽然受环境的影响，凝胶体系中化学反应进行相对较慢，不过这也为观察特定反应的过程提供了契机，有望在减慢的反应中检测到更多的反应中间体，更有利于对反应机理的认识。虽然凝胶中进行的化学反应具有如上所述优点，但产物可能会被固定在凝胶的交联网络中，难于从体系中释放，影响产物的回收和纯化。总之，凝胶体系的特殊性为其中进行的化学反应提供了与众不同的反应环境，经过巧妙的反应体系设计将有望获得对化学反应新的认识。凝胶体系在化学反应中的特点和应用体现了凝聚态化学中体系的重要性，能产生单个组成基元所不具备的性质。
将凝胶体系应用于化学反应的另一种典型做法是将凝胶作为催化剂载体或催化剂材料本身用来催化化学反应（
图4b）
［31-32］。基于凝胶本身具有密度低、比表面积大、孔隙率大、成本低、透光率高和受热易形变等特点，相比于热驱动的化学反应，光驱动的反应更适合用于凝胶体系。以凝胶形式使用光催化剂不但可以有效防止催化剂团聚，提高催化剂的稳定性和利用率，而且有利于催化剂的回收再利用。
5 凝胶的应用
凝胶体系具有丰富的组成，独特的结构和物理化学特征，使其作为功能材料在多方面展现出良好的应用潜力，而开拓材料本身的应用领域也是凝聚态化学中的重要前沿科学问题之一。本部分将从组织工程、药物递送、人机接口和环境工程4个方面展示凝胶材料的应用。值得指出的是，凝胶的应用领域非常广泛，远不止上述几种，比如利用空心玻璃微球交联制备的气凝胶具有出色的机械强度和高隔热性能
［33］，在管道保温行业有广泛应用；利用阴离子与吡啶的配位作用构筑的凝胶对阴离子、pH值和气体等都具有快速响应能力，是一类重要的智能软材料
［34］；利用多金属氧簇和多糖之间的分子间作用力构筑的水凝胶具有明显的克顿效应和多重响应性，可应用于手性凝胶材料
［35］。此处仅给出几个典型实例来说明凝胶的应用及其与凝聚态化学的关系。
5.1 凝胶在组织工程领域的应用
通过组织工程的方法解决组织损伤和进行组织修复是治疗领域的重要新兴手段
［36］。通过这种再生医学策略，利用生物材料和细胞等为组织再生创造有利条件，更接近于人体的自身愈合过程，有效降低了肌体的免疫排斥风险
［37-38］。作为一类重要的生物材料，水凝胶具有优异的生物相容性，其结构内处于受限状态的水以液态凝聚态的形式存在，具有较低的流动性，更有利于溶于其中的细胞间的物质和信息传递，为细胞的生长和增殖提供合适的环境
［39］。更为重要的是，水凝胶具有良好的吸水性，可以模拟体内组织的水合特性，能够吸收和维持大量水分。通过注射的方式将液态水凝胶精确注射到体内后逐渐固化成型，形成稳定的结构，从而可以以微创方式有效修复受损组织
［40］。
以大鼠颅骨损伤修复为例，以乙二醇/多肽共聚物（Blk-Gel）为凝胶材料（
图5a），其水溶液在低温下是自由流动的溶胶，随着温度的升高，出现溶胶-凝胶的相转变，并在体温时形成不流动的水凝胶（
图5b）
［41］。利用凝胶材料的相转变特性，分别将正常细胞外囊泡（Norm-EVs）和缺氧细胞外囊泡（Hypo-EVs）负载于凝胶中，并将其注射到大鼠受损颅骨位置。如
图5c所示，治疗12周以后，收集颅骨组织进行计算机断层扫描分析，结果显示，相比于对照组和仅凝胶存在的情况，负载了Norm-EVs和Hypo-EVs的凝胶具有更好的治疗效果，其中Hypo-EVs表现出最强的骨修复能力。Hypo-EVs对骨组织修复的增强能力来源于植入组分的缺氧特性与实际骨髓环境接近，更有利于骨骼的修复。在整个修复过程中，水凝胶作为一类介于液体和固体之间的凝聚态，不但提升了细胞的稳定性，而且其流动性也增强了对受损骨组织的覆盖能力，加速了骨修复过程。
5.2 凝胶在药物递送领域的应用
凝胶的溶胶-凝胶转变特征使其在组织工程领域得到广泛应用，而凝胶的另一个典型特征，刺激响应性，则更有利于凝胶在药物递送领域的应用
［42］。凝胶具有强大的负载能力，不受药物分子的分子量、溶解度和来源（合成或天然）的影响，都可以通过物理包埋或化学键合等方式负载到凝胶中
［43］。更为重要的是，通过合理设计可以将不同类型的药物负载于凝胶体系中而不发生相互影响，实现药物的双重负载。负载药物的凝胶进入体内特定位置，受到刺激后将药物释放，从而实现药物的精准递送。凝胶的刺激响应性来自于凝聚态内部各组分间作用力的差异，相比于构筑块内部强的结合，构筑块之间的弱作用力在特定条件下会发生改变，从而影响凝胶的溶剂包结能力并释放出负载物质。凝胶的多级结构使其能以不同的速率控制药物分子的释放，从而在多个刺激下或通过多级联反馈机制进行控制
［44］。除刺激响应性外，水凝胶的其他性质也对药物的递送和释放过程产生重要影响，也是制备凝胶药物的重要考虑因素
［45］。比如，凝胶的亲水性和溶胀性决定了凝胶进入体内的可能途径，高的亲水性和溶胀性有利于减小凝胶与体内蛋白质或血小板的吸附，延长其在体内的循环
［46］。
由于凝胶在药物递送体系中的优势，所以被用于治疗糖尿病引发的足溃疡。研究人员制备了一种光热/光动力协同抗菌和pH/葡萄糖双响应的透明质酸基水凝胶敷料
［47］。该敷料由席夫碱和苯硼酸通过双动态交联的方式反应制备，并在其中负载了具有良好光热/光动力协同抗菌功效的聚多巴胺还原的氧化石墨烯与甘氨酸修饰的富勒烯复合物（GPC）和具有促进血管生成和抑制炎症的药物吡非尼酮（PFD）。实验结果如
图6a插图所示，在低pH和高葡萄糖条件下，水凝胶快速解离，色素释放后使溶液颜色更深。在该条件下，水凝胶中负载的药物PFD的释放率高于正常生理条件（pH=7.4）下的释放率（
图6a）。凝胶的pH和葡萄糖刺激响应性来自于苯硼酸酯和席夫碱结构在葡萄糖和酸性条件下的易解离性，促进了PFD的加速释放。GPC在近红外光照射下赋予水凝胶光热/光动力协同抗菌作用，同时GPC中儿茶酚成分提供的组织黏附和抗氧化特性也对病患部分的治疗起到重要作用。对伤口闭合（
图6b）和炎症反应（
图6c）的评估表明，水凝胶通过减少炎症和增强血管生成显著促进了感染部位的愈合。
以上研究表明，作为一种具有良好生物相容性的载体，水凝胶可以负载包括药物等多种功能组分，其良好的机械强度和可修复性为药物的运输提供了保障，而相应的刺激响应性也确保了药物在指定位置的释放，极大减小了药物对其他非病变部位的影响并提升了治疗效果。
5.3 凝胶在人机接口领域的应用
凝胶多样的性质决定了其在不同领域应用的可能性，相比于在组织工程和药物递送领域所需的高生物相容性和刺激响应性等性质外，在人机接口领域的应用对凝胶性质的要求更高
［48-49］。人机接口是建立在一系列通信协议之上的人体和机器之间的交互通道，并且针对特定的应用和生物组织需要进行个性化设计
［50］。根据人机之间的相互作用机制，在人机接口中，水凝胶界面应至少具有如下功能模式，包括机械、声学、电气、光学、化学和生物等。其中机械柔韧性、强黏附力和耐用性有助于实现人机无缝整合，声学和电气特性可确保能量的高效传输和提高信号稳定性，光学响应性可实现受控的光响应，而化学选择性则有利于提高分子识别能力，高生物相容性确保了接口的长期稳定性以及和细胞之间的交互。水凝胶的以上功能都来自于其介于固体和液体之间的凝聚态特性，使凝胶既有足够的强度支撑结构保持完整，又能整合多种功能基元，实现在人机接口领域的应用
［51］。
由于人机交互水平受材料阻抗影响，所以一般使用尺寸较小的神经电极以便更好地与周围组织整合，最大程度模拟脑组织行为。为了实现这一目的，使用分子肽（betaVhex）作为构筑基元制备了轴向堆积的纳米纤维，并与碳纳米管（CNTs）结合构建形成螺旋复合物（
图7a）
［52］。复合物在水凝胶中创建了一个均匀的三维电网络，可以降低信号的损耗并促进传导。另外，神经网络的多层复杂特征也很好的反应在设计水凝胶的分层结构中，为所有频率范围内增强神经震荡提供了一个有效的接口。制备的水凝胶增加了电极和组织的接触面积，提供了紧密的组织/水凝胶耦合，在患者癫痫病发作时信号振幅和频率均增强（
图7b）。水凝胶的阻抗由体系中碳纳米管的浓度决定，与尺寸无关，使其可用于生成具有广泛接触区域的多功能接口，尤其是高频相关的脑信号记录。得益于水凝胶本身的高机械强度及其与脑组织之间相似的黏弹性，神经元和血管结构在皮层内注射后也能保持结构完整性。此外，水凝胶以生物相容性状态保留在皮质表面和脑组织内长达数月，周围没有发生明显的炎症反应，说明水凝胶神经接口的长期可靠性，并支持其适用于各种大脑状态下神经信号的监测（
图7c）。
5.4 凝胶在水处理领域的应用
水凝胶具有高的含水量和三维网络结构以及类固体特性，是光热材料的理想柔性载体
［53］。相比于其他衬底材料，水凝胶可调节的物理化学性质和多样化的结构丰富并简化了其功能化过程，通过合理设计水凝胶的孔径、分布以及亲疏水性，可以有效地调节凝胶内水分子的状态，减少或消除大型水团簇之间的氢键，降低水蒸发的焓变，加速从液体到气体的相变
［54］。作为水蒸发的基体材料，水凝胶中的多孔网络结构可以增强其将水从底层连续输送到顶部的能力
［55］。另外，通过对凝胶中聚合物链、分层结构或特定位点等进行精心设计，制备具有稳定的构筑块内部结构和可逆的构筑块之间的连接，可以获得强大的机械强度和自修复性能，保证了水凝胶在蒸发过程中的持续稳定性
［56］。
在传统水蒸发器中，往往通过增大流速的方法提高水蒸发膜的抗盐性，但这种策略会带来巨大的热量损失，降低材料的蒸发性能。为了解决这一问题，研究人员设计了一种具有交替孔径分层结构的双网络水凝胶（DNH），通过多机制协同交联工艺即可制备尺寸高达10 cm × 10 cm的水蒸发膜（
图8a）
［57］。TEM照片表明凝胶中存在均匀分布的分级网络通道，表明水凝胶均匀凝胶化（
图8b）。通过微调水凝胶网络中的酰胺基团，可以改变水的状态，有效活化水并显著降低蒸发焓，其创新设计在提高光吸收率的同时，也优化了向蒸发表面的持续供水路径，能在质量分数为25%的高盐溶液中连续蒸发12 h后仍保持高的蒸发速率（
图8c）。蒸发后的水中各种离子含量明显降低，其浓度指标都优于世界卫生组织（World Health Orgnization， WHO）的相关标准（
图8d）。
尽管基于水凝胶的界面太阳能驱动蒸发具有明显的优势及改进的性能，但还需要进一步的基础研究来充分阐明水凝胶在界面太阳能驱动蒸发过程中能量、质量和动量传递中的作用，这将加深对所涉及过程的深入理解，提高蒸发效率。从凝聚态化学角度来看，水蒸发的过程经历了从液态凝聚态到气态的转化，而通过改变水分子与凝胶界面之间的作用强度，将更有利于降低水分子内部的氢键连接，减小焓变，提高蒸发效率。
6 结论与展望
凝胶是由具有不同结构和功能的构筑块通过多重作用力之间的协同形成的具有多层次网络结构的物质，这与凝聚态化学的研究对象，即以基本粒子通过稳定的黏连关系凝聚形成的具有特定组成、多层次结构与性质和功能的物质凝聚态，具有高度匹配性，因此是凝聚态化学研究的理想体系之一。利用凝聚态化学的思想可以规范凝胶的制备策略，更有利于实现具有特定结构和功能凝胶的精准合成。进一步的，凝胶的三级网络结构体现了凝聚态化学中不同构筑块之间作用力的差异以及由此导致的相互连接强度的不同。凝胶结构中不同组分之间作用力的差异性不但决定了凝胶的功能性，也要求凝胶表征方法和技术具有多样性。凝胶丰富的结构组成、精细的作用力调控以及复杂的网络结构使其作为多功能材料在组织工程、药物递送和环境等领域得到广泛应用。利用凝聚态化学思想认识凝胶体系在制备、结构、表征、性质以及应用方面表现不但促进了凝胶体系本身的发展，也进一步拓展和深化了凝聚态化学的内涵和外延。
尽管凝聚态化学在凝胶体系中的应用已取得了一些令人鼓舞的进展，但该领域的研究工作仍有极大的发展空间。在设计制备具有特定功能的凝胶材料方面，经常需要对敏感的实验条件，包括温度、浓度和酸碱度等进行精确控制，这个过程不但严重依赖研究人员的专业知识，且容易产生实验误差，导致材料性质数据的可重复性降低。而利用人工智能的方法，特别是神经网络等机器学习技术，能够从现有数据中快速提取有价值的信息，从而有效提高制备的准确性和材料性能的可预测性。结合凝聚态化学的思想，通过加速开发有效的合成策略，人工智能驱动的方法可以有效降低凝胶材料制备的成本，促进新型凝胶材料的合理设计和优化。在凝胶材料加工应用方面，通过传统的加工方法制备的凝胶材料在定制化应用方面往往需要多个步骤，不但增加了材料应用的成本，而且加工精度较低，不易快速实现高质量材料制备。结合凝胶具有一定流动性的特点，利用3D打印技术可实现凝胶材料的快速、高效和精确成型，极大程度上扩展了凝胶材料的应用范围，同时也降低了生产成本。
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