深圳大学化学与环境工程学院周学昌

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周学昌，男，1982年出生，博士，深圳大学教授，化学系副系主任，深圳市海外高层次人才（孔雀计划B类），深圳大学优秀青年教师（“荔园优青”），化学和化学工程学位点硕士生导师。2005年毕业于中国科学技术大学并获高分子化学专业学士学位（导师：张广照教授），2005-2010年在香港中文大学化学系学习获硕士、博士学位(微流体专业方向，导师：郑波教授)。2010年8月至2014年1月在香港理工大学郑子剑教授研究组从事博士后工作。2014年3月起，作为副教授受聘于深圳大学化学与环境工程学院，2017年1月起，任特聘研究员。研究背景和兴趣主要包括高精度表面图案化技术、微流控系统、微纳芯片制造、3D聚合物刷打印术、柔性导体等。主持(2项)和参与(2项)国家自然科学基金项目，主持(2项)和参与(1项)深圳市基础研究项目，深圳市孔雀计划启动项目1项，深圳大学新进青年教师启动项目1项。迄今在国际知名期刊上发表学术论文40余篇，包括：Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Mater. Horiz.、Nat. Commun.、Small、Adv. Sci.、J. Mater. Chem. C、Anal. Chem.、Nanoscale、Macromolecules、Macromol. Rapid Commun.、J. Phys. Chem. B等；论文被引用近700次，H 因子为15；拥有2项美国专利；受Nanoscale期刊邀请撰写三维图案化聚合物刷领域的“feature article”；研究成果被英国皇家化学会的Chemistry World、Nature出版集团的NPG Asia Materials、MaterialsViews China、ChemistryViews等期刊媒体报道。


周学昌
职务：化学系副主任
职称：教授
办公电话：0755-2653 6627, 短号: 660269
Email：xczhou@szu.edu.cn; xuechangzhou@gmail.com

Projects (项目)：
1． 国家自然科学基金面上项目 （21674064），2017.01.01-2020.12.31，项目负责人。
2． 国家自然科学基金青年项目（21404072），2015.01.01-2017.12.31，项目负责人。
3.   广东省质量工程项目，微型化化学创新实验区， 2017.01~2019.12，项目负责人。
4． 深圳市基础研究项目（JCYJ20160520173802186），2016.08.31-2018.08.31，项目负责人。
5． 深圳市基础研究项目（JCYJ20140418182819116），2014.12-2016.12，项目负责人。
6． 深圳大学高端人才启动项目（827-000040），2015.01.01-2017.12.31，项目负责人。
7． 深圳大学青年教师启动项目（201447），2014.06.01-2016.05.31，项目负责人。
8． 国家自然科学基金青年项目 （21605104），2017.01.01-2019.12.31，项目主要参与人。
9． 国家自然科学基金面上项目（51273167），2013.01.01-2016.12.31，项目主要参与人。

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可控折叠水凝胶的研究对传感器、驱动器、软体机器人和医疗器械等领域的发展具有重大意义。传统的可控折叠水凝胶大多是通过水凝胶的非对称溶胀或收缩而实现。这种方法一般需要水凝胶处在一定的溶剂之中才能实现，并且折叠的时间会随着凝胶的体积增大而显著增加。

深圳大学周学昌副教授课题组研究发现，通过向制备好的海藻酸钙/聚丙烯酰胺（Ca-Alginate/PAAm）韧性水凝胶中引入三价铁离子（Fe3+），从而在海藻酸钙凝胶网络中形成第二重离子交联，可以极大的提高凝胶含铁部分的弹性模量而改变其拉伸性能，甚至可以“锁定”已经拉伸的部分而阻止其复原。据此，课题组提出一种全新的预拉伸再“锁定”的水凝胶可控折叠策略，可以实现在空气下对韧性水凝胶的快速可控折叠 ( J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 5726-5732.)。


最近，该团队研究人员联合香港中文大学郑波教授课题组，利用纸转移技术，将含有三价铁离子的剪纸图案铺在预拉伸的凝胶上来转移铁离子，从而实现对韧性水凝胶的模量进行局部增强。当凝胶被释放时，凝胶即将根据非对称的图案化“锁定”而立刻发生折叠。凝胶的折叠角度和形状可以通过控制凝胶预拉伸程度，转移的剪纸图案种类以及铁离子的转移深度来实现准确控制（图1）（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 9077-9084.）。

图1拉伸-锁定策略实现韧性水凝胶的可控折叠。

此研究提供了一种简单直接的方法来控制变形过程以得到预期的构型，将有利于水凝胶折叠在软体机器人和医疗器械等领域的应用。该工作得到了国家自然科学基金，深圳市基础研究基金，深圳大学以及香港研究资助局的资助。


文章链接：
Title: “Freezing”, morphing, and folding of stretchy tough hydrogels
Authors: Tianzhen Li, Jiahui Wang, Liyun Zhang, Jinbin Yang, Mengyan Yang, Deyong Zhu, Xiaohu Zhou, Stephan Handschuh-Wang, Yizhen Liu, and  Xuechang Zhou*
Journal:  J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 5726-5732.
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/tb/c7tb01265a#!divAbstract


Title: Mechanochemical Regulated Origami with Tough Hydrogels by Ion Transfer Printing
Authors: Xiaohu Zhou, Tianzhen Li, Jiahui Wang, Fan Chen, Dan Zhou, Qi Liu, Baijia Li, Jingyue Cheng, Xuechang Zhou,* and Bo Zheng*
Journal:  ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 9077-9084.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b01610

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水凝胶是一类超亲水的三维网络结构凝胶，包括通过化学键或者物理作用使得聚合物链相互交联所形成的网络结构，以及小分子通过非共价键组装形成超分子凝胶。近年来，水凝胶在柔性可穿戴式器件、电子皮肤、和软体机器人等领域展现出巨大的应用潜力。然而，大部分水凝胶材料在干旱条件下容易失水变干，在严寒气候下容易冻结失效，丧失很多功能，如弹性、导电性、透明性和自适应性等。对于穿戴式导电水凝胶柔性器件，水凝胶内水的冻结会导致器件失去弹性和导电性，严重限制其在低温环境下的应用。所以研究极端环境下自适应性凝胶对于拓宽凝胶的应用范围具有十分重要的意义。怎么样制备出极端环境下自适应性凝胶？我们可以从自然界中去寻找答案。在南北极和高海拔的严寒地区，气温常常能够达到-20℃以下，但是依然有一些物种，例如企鹅、北极熊等，能够长期生存下来，因为他们有一套能够抵御生物机体结冰的策略。这种保水抗结冰的策略给我们以启示，为人类研究和开发极端环境自适应性凝胶提供了很好的借鉴价值。

        深圳大学周学昌教授研究团队在特约综述中，以抗失水性和抗结冰性这两大性能为主线，介绍了极端环境自适应性凝胶的一些构筑策略，并对抗失水抗结冰水凝胶在柔性可穿戴设备、传感器、皮肤抗冻和水系锂离子电池等领域的应用展开论述，总结了表面修饰弹性体的抗失水性水凝胶，抗冻盐凝胶，有机-水双溶剂抗冻凝胶、抗冻剂置换有机水凝胶、以及纳米限域水凝胶等具有极端环境自适应性的水凝胶的最新研究进展。同时，该综述也分别对各种不同构筑策略的在实际应用中的局限性进行了讨论。抗失水和抗结冰性能属于水凝胶环境适应性中十分重要的两方面，虽然在近些年来获得了巨大的突破，但是仍然还存在很多需要进一步研究和克服的问题。从长远来看，抗失水和抗结冰水凝胶的开发是还只是发展复杂多变的环境自适应性水凝胶的初步探索，未来有关这类材料的研究和应用仍然还有很长的路要走。论文最后展望了抗失水抗结冰水凝胶在柔性可穿戴器件和软体机器人两大领域的巨大应用前景。一方面，为了克服软体机器人在南北极或者高海拔地区可能存在的冻结失效，开发能够自适应恶劣环境的抗失水和抗冻软体机器人将是未来重要的发展方向；另一方面，具有导电性的抗冻抗干燥水凝胶还有望应用于人机界面(Human–Machine Interaction)，不仅实现对于外界刺激信号的传感，也能实现对外界的反馈。为了更好地突破气候环境对于水凝胶材料在实际应用上的诸多限制，从事机器人、传感器、能源、高分子材料等方向的研究人员可进行跨领域的交叉合作，共同推动该领域的发展。
        上述工作以题为“抗失水抗结冰水凝胶的研究进展”综述形式发表在《高分子学报》2020年第9期( 高分子学报, 2020，51(9): 969-982, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20100)，第一作者王奔博士，通讯作者深圳大学周学昌教授。


引用本文:王奔, 陈繁, StephanHandschuh-Wang, 甘田生, 周学昌. 抗失水抗结冰水凝胶的研究进展. 高分子学报, 2020, 51(9): 969-982
Ben Wang, Fan Chen, Stephan Handschuh-Wang, Tian-sheng Gan and Xue-chang Zhou. Progresses in Anti-dehydration and Anti-freezing Hydrogels. Acta Polymerica Sinica, 2020，51(9): 969-982
doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20100

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地球表面绝大多数的面积都由水资源覆盖。然而，这些水资源中的，淡水总量约占地球总水量的2.8%。这么有限的淡水资源，以液态，气态和固态的形式存在于陆地上的冰川、地下水、地表水和水蒸汽中，这其中可供利用的部分非常稀少。而且，这些淡水资源，特别是冰川、地下水和地表水在陆地上的分布极不均衡，导致地球表面仍然存在着很多干旱地区，使得人类难以生存。如何解决偏远地区和旱区的生活用水问题具有非常广泛和普适性的价值。空气中蕴含有大量未被利用的水资源，即使在偏远地区和干旱的沙漠中也含有大量的水蒸气，将空气中的水蒸气就地收集成水，不仅能节约了大量的劳力和能源成本，也能在地域上具有广泛的普适性。另外，水蒸气不含各种杂志和细菌，经过收集之后几乎无需任何净化和灭菌工艺，即可达到可供饮用的标准。再者，在机场周边区域，空气中的雾气采集和去除还能降低雾气对于飞机起降的影响。
        自然界中的很多生命体在极端干旱的环境下仍然能够生存和繁衍。为了解决旱区的淡水问题，研究人员师法自然，从自然界生物中学习空气中集水的本领。在自然界中，已经发现有多种动植物和昆虫具有集水本领。仙人掌具有极强的耐旱性，是因为仙人掌表面上成簇分布的亲水性圆锥棘结构可以捕获空气中的水汽，并且将逐渐合并变大的液滴定向地移动至芒刺簇地根部被仙人掌所吸收。沙漠甲虫可以在沙漠中生存和繁衍，是因为沙漠甲虫的背部具有超亲水和超疏水区域相间排布的凸面结构，凸面上的亲水区域可以捕获空气中的水汽，随着水汽的增大和相邻亲水区小水滴的合并过程，最终水滴会大到其重力足以克服昆虫背部凸面上亲水区域对水滴的附着力，使得水滴沿着凸面滚落被昆虫取用。蜘蛛在空中织网而身居其中，也是靠着蜘蛛网丝上规律排列的纺锤节结构来捕获空气中的雾气，捕获的雾气在通过不断地长大和融合，最终提供蜘蛛生存所需的水分。
        空气中的水收集，一是与空气中的水蒸气的含量有关，另外就是与所设计的材料表面的物理化学性质有关。空气的相对湿度越高则越有利于水份的收集，甚至很多普通生活用品，如玻璃等，在极高的湿度是都可以观察到水分的凝结。另外，空气中的水分的存在形式和大小也可能影响材料的收集能力，当空气中的水分全部以气态水蒸气的形式存在时，往往较难捕获，需要对材料表面结构和表面成分进行特殊的设计。当空气中的水分以液态雾气和小水滴的形式存在时(1~100μm)，随着小水滴直径的增大，材料表界面对水汽的捕获能力也会有一定程度的增强。但是，在淡水资源稀缺的地区，空气中的湿度往往很低，这就要求对集水材料的结构和表面化学组成进行特殊的设计来实现水收集的性能。例如，我们可以通过增加材料的水分捕获能力、促进定向输送、抑制集水蒸发、提高多孔骨架的吸附能力等措施来提高集水效率, 同时我们也需要考虑降低解吸温度, 增加太阳能热吸附剂的光谱吸收,大规模生产能力、生物毒性和成本。

图：自然界与人工制备的一些典型集水材料和系统

         近日，深圳大学化学与环境工程学院周学昌教授和王奔博士,联合湖北大学郭志光教授，中科院兰州化学物理所刘维民院士，在《Nano Today》(影响因子：20，中科院JCR 1区，TOP期刊)上发表了题为”Recent advances in atmosphere water harvesting: Design principle, materials, devices, and applications”的综述，在这篇综述中，基于对结构和表面化学成分的合理设计，总结了集水材料开发的最新进展。介绍了这些集水过程的机制和影响因素。基于开发的材料，介绍了集水装置和系统，包括非耗能集水系统、太阳能供能集水系统、其他外部耗能集水系统。 作者们也讨论了用于农业应用的新兴空气集水灌溉系统。 最后，作者们讨论了集水材料/装置目前还存在的问题、挑战和未来的研究方向。
        该文章第一作者为深圳大学助理教授王奔，共同通讯作者为深圳大学周学昌教授，湖北大学郭志光教授，兰州化物所刘维民院士。