水凝膠像人體組織一樣具有軟濕的特性，是模仿生物功能的極佳候選者。近期，北海道大學龔劍萍（Jian Ping Gong）教授課題組發(fā)現(xiàn)水凝膠材料可像“人腦”一樣對信息進行編碼、提取和自發(fā)地遺忘。
通過學習，人腦能夠記住信息，且記住的信息隨時間的推移會被人腦自發(fā)地遺忘。遺忘可以過濾掉不重要的信息和噪音，從而維持大腦的高效運行。遺忘是一個動態(tài)的過程；遺忘時間一般跟學習的時間與學習的狀態(tài)有關。用人造材料再現(xiàn)動態(tài)可控的記憶-遺忘過程具有相當?shù)奶魬?zhàn)。龔教授團隊近日報道了水凝膠材料能夠模仿人腦的動態(tài)記憶-遺忘功能，即水凝膠能夠“記住”信息，這些信息隨著時間的流逝而逐漸消失，且“記憶時間”的長短取決于“學習”的強度。
龔教授團隊指出，基于快速的水吸收與緩慢的水釋放，眾多含有動態(tài)鍵（如離子鍵和氫鍵）的水凝膠皆可實現(xiàn)動態(tài)的記憶-遺忘過程。該研究以常見的、含有大量離子鍵的聚兩性電解質(zhì)水凝膠（PA膠）為例。首先，透明的PA膠在低溫水浴中達到平衡。然后，將該凝膠移至高溫水浴中進行局部的“熱學習”。熱學習區(qū)域在高溫過程中會吸收水分，發(fā)生微小膨脹，從而“記住”相應的信息。當該PA膠轉(zhuǎn)移至低溫水浴時，經(jīng)熱學習的區(qū)域會由透明轉(zhuǎn)變?yōu)闇啙幔瑢崿F(xiàn)信息的讀?。▓D1）。渾濁區(qū)域在低溫下處于非穩(wěn)態(tài)，會收縮回復，并釋放水分，自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯姆€(wěn)定狀態(tài)，從而實現(xiàn)信息的動態(tài)遺忘過程（圖2）。其中，該過程只涉及物理變化。高溫與低溫的選擇是任意的，較小的溫差就能產(chǎn)生明顯的透明度變化。凝膠的熱學習時間越長或者熱學習溫度越高可產(chǎn)生更強的記憶印記，因此遺忘的時間也越長（圖2）。
凝膠記憶對于溫度波動的穩(wěn)定性
該團隊表明，在水凝膠中建立的記憶對于溫度波動（圖1）和大的物理拉伸是穩(wěn)定的。更有趣的是，遺忘過程可以通過調(diào)節(jié)熱學習時間或熱學習溫度來調(diào)控。例如，在PA凝膠中，對“GEL”的每個字母使用不同的學習時間時，這些字母會依次消失（圖3）。因此，通過調(diào)控凝膠不同區(qū)域的熱學習時間或者熱學習溫度，就可以實現(xiàn)不同區(qū)域信息的序列遺忘。
相關的實驗數(shù)據(jù)及詳細的原理論證已發(fā)表在PNAS期刊上（DOI: 10.1073/pnas.2006842117）。文章的第一作者是博士研究生余承濤，通訊作者為崔昆朋助理教授與龔劍萍教授。
課題組介紹：
龔教授課題組當前的主要研究方向之一是建構(gòu)多尺度結(jié)構(gòu)與水凝膠性能的聯(lián)系。譬如，粘彈性水凝膠的多尺度結(jié)構(gòu)與增韌（Phys. Rev. Lett. 2018, 121, 185501; Macromolecules 2019, 52, 7369; Macromolecules 2020, 53, 5116）、抗疲勞（PNAS 2020, 117, 7606）和膨脹/收縮動力學（本論文及相關工作）之間的關系。以期用多尺度結(jié)構(gòu)的觀點，指導水凝膠的設計與多功能應用。
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