伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的R. M. Espinosa-Marzal教授及其研究團隊通過表面接枝的方法，構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性質，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行調控。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，形成膠束或片層結構，并進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構中氫鍵、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構在鹽溶液/純水中的結構/組裝的動態(tài)行為，既佐證了電荷相互作用在膠束/片層結構形成中的重要恭喜，也說明了該結構的刺激響應性。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，R. M. Espinosa-Marzal教授及其研究團隊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%，膠束狀結構出現(xiàn)，在表征形貌的同時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，這些膠束結構模量高于其它區(qū)域。為了表征其中的組分，作者使用硅烷化學對探針進行表面修飾獲得帶正電的針尖并用來進行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。

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

該工作中所用到的QI技術是用Bruker公司的NanoWizard原子力顯微鏡實現(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、多種尺度的樣品進行定量成像。NanoWizard® ULTRA Speed 2可以達到10幅/秒的成像速度，為動態(tài)過程的研究提供了新的強大研究工具。其獨特的探針掃描技術，可以與超分辨成像、共聚焦、轉盤式共聚焦和結構光照明技術(SIM)等其他先進光學技術相結合，使得該系統(tǒng)成為醫(yī)學、生物物理學、化學或材料科學研究應用的理想選擇。NanoWizard原子力顯微鏡的QI模式能快速獲得形貌的同時還能表征力學性質的分布，其校準算法、可視化程序以及易用性都得到了擴展和增強，以為用戶提供友好的界面及易用的功能。