伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的R. M. Espinosa-Marzal教授及其研究團(tuán)隊(duì)通過表面接枝的方法，構(gòu)筑了表面受限的與丙烯酸共聚的聚丙烯酰胺水凝膠，其表面形貌以及各類力學(xué)性質(zhì)，包括流變性、粘附性和摩擦力可通過共聚物中丙烯酸含量進(jìn)行調(diào)控。作者利用原子力顯微鏡（AFM）直觀表征了不同丙烯酸含量共聚物的微相分離行為，形成膠束或片層結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步地顯示其中剛度和粘附力分布。宏觀表征說明該共聚物水凝膠的相分離來源于其結(jié)構(gòu)中氫鍵、靜電相互作用和滲透活性電荷減少之間的平衡。作者還利用AFM表征了水凝膠膠束結(jié)構(gòu)在鹽溶液/純水中的結(jié)構(gòu)/組裝的動(dòng)態(tài)行為，既佐證了電荷相互作用在膠束/片層結(jié)構(gòu)形成中的重要恭喜，也說明了該結(jié)構(gòu)的刺激響應(yīng)性。該研究成果（Charge-Induced Structural Changes of Confined Copolymer Hydrogels for Controlled Surface Morphology, Rheological Response, Adhesion, and Friction）于2021年12月10日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》雜志上（Adv. Funct. Mater. 2021, 2111414. DOI: 10.1002/adfm.202111414）。

使用NanoWizard平臺上的Quantitative Imaging（QI）成像技術(shù)，R. M. Espinosa-Marzal教授及其研究團(tuán)隊(duì)表征了不同丙烯酸含量的聚丙烯酸-丙烯酰胺共聚物水凝膠的相分離行為。如圖1所示，隨著丙烯酸含量提高至40%，膠束狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，在表征形貌的同時(shí)QI模式還能獲得樣品表面在納米尺度下的剛度及粘附力分布。圖1所示，這些膠束結(jié)構(gòu)模量高于其它區(qū)域。為了表征其中的組分，作者使用硅烷化學(xué)對探針進(jìn)行表面修飾獲得帶正電的針尖并用來進(jìn)行QI成像，如圖2所示，這些高剛度的膠束區(qū)域粘附力小于其它區(qū)域，說明膠束中高分子鏈密度更高，且其中帶電的聚丙烯酸含量要更低。

當(dāng)丙烯酸含量提高到60%，如圖1中白箭頭所示，層狀相分離結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。電荷相互作用對于該結(jié)構(gòu)形成具有重大貢獻(xiàn)。向該水凝膠中加入KCl溶液，由于離子氛的電荷效應(yīng)，KCl的加入會電荷相互作用，從而能夠解離層狀結(jié)構(gòu)。如圖3所示，加入KCl溶液12分鐘后，層狀結(jié)構(gòu)消失。該電荷誘導(dǎo)效應(yīng)是可逆的，再次浸入純水10分鐘后，如圖3e,j）所示，層狀結(jié)構(gòu)再度出現(xiàn)。

該工作中所用到的QI技術(shù)是用Bruker公司的NanoWizard原子力顯微鏡實(shí)現(xiàn)的。NanoWizard®4 系列、NanoWizard® ULTRA Speed 2有著優(yōu)異的成像性能，可以對多種材質(zhì)、多種尺度的樣品進(jìn)行定量成像。NanoWizard® ULTRA Speed 2可以達(dá)到10幅/秒的成像速度，為動(dòng)態(tài)過程的研究提供了新的強(qiáng)大研究工具。其獨(dú)特的探針掃描技術(shù)，可以與超分辨成像、共聚焦、轉(zhuǎn)盤式共聚焦和結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)(SIM)等其他先進(jìn)光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，使得該系統(tǒng)成為醫(yī)學(xué)、生物物理學(xué)、化學(xué)或材料科學(xué)研究應(yīng)用的理想選擇。NanoWizard原子力顯微鏡的QI模式能快速獲得形貌的同時(shí)還能表征力學(xué)性質(zhì)的分布，其校準(zhǔn)算法、可視化程序以及易用性都得到了擴(kuò)展和增強(qiáng)，以為用戶提供友好的界面及易用的功能。