固体物质通常包含特定条件下的单一稳定固态。材料科学家设想，具有可互换固体的新材料将有益于各种技术应用。在《自然材料》杂志上发表的一篇新报告中，Fut(Kuo)Yang和他在加拿大和中国化学工程、生物工程和生物技术跨学科部门的同事描述了二合一杂交材料的发展。

他们使用浸泡在过冷盐溶液中的聚合物形成材料，这种材料被称为“盐凝胶”。该材料在不同温度(-90至58)和压力下呈现两种不同但稳定可逆的固态。当科学家刺激成核时，物质从清澈柔软的固体变成白色坚硬状态，即比原来硬了10 ^ 4倍(15 kPa vs. 385 MPa)。他们通过瞬时加热将坚硬的固体变回柔软的稠度，以证明这种变化的可逆性。本研究讨论了液体稳态物理亚稳态的概念和杨等。

这项工作扩展到糖醇，以形成刺激响应和非蒸发的“糖凝胶”。这种二合一混合材料将用于软机器人和粘合剂应用。

变刚度材料为工程师提供了矛盾的形状适应性和承载能力，这对于包括软机器人、粘合剂/胶粘剂和航空在内的各种技术领域都非常重要。然而，保持这种智能材料的机械响应受到外部刺激要求的限制。创建二合一固体的解决方案是探索这种材料的机械或结构亚稳定性。

这是由origami启发的折纸或超材料观察到的，它们可以通过拓扑状态的变化来改变自己的刚度。

为了获得双稳态，潜在的机制必须在两者之间形成一个能量屏障，在这个能量屏障中，每个状态都处于最小能量。例如，液体结晶可以满足这一要求，其中液体最初需要形成足够大的晶体原子或分子簇。那么，转变结晶相的自由能增益必须克服形成液晶界面的自由能成本。

科学家可以通过二次成核来诱导自组装，克服界面之间的能量障碍(从现有晶体形成新晶体)，以及用于液晶转变和晶液转变的热量。对于纯固体的相变，这种方法相对更困难，其中晶相和非晶相都是固体。

作为一个例子材料，三水醋酸钠是一种相变材料(PCM)，通常被称为“热冰”，因为它在冷冻过程中释放热量，具有众所周知的过冷能力。虽然固体的熔点是58摄氏度。在室温下，它可以作为过冷液体保持稳定多年，并应用于季节性储能。Yang等人提供了另一种固体形式的固体乙酸钠三水合物，通过使用相容的聚合物网络来产生可印刷的轻质混合材料，称为溶胶-凝胶。

该材料可以在没有外部刺激的情况下互换其有效刚度，使科学家能够充分利用盐的相变和亚稳定性。

混合材料在熔化时转变成类似橡胶的形态，按要求用于定形，刚度变化在10.4倍以上。与以前开发的刚度变化材料相比，这一特性非常适合“二合一”固体。新材料与不断提高的性能有关，以实现小型化和提高多功能材料的性能密度。刚性状态下盐凝胶的特性。低聚合物含量和高聚合物含量的行为。图片来源：自然材料，DOI: 10.1038/S41563-019-0434-0。

科学家通过将熔融的三水合乙酸钠与聚丙烯酸的聚合物前体以及乙酸和水的液体混合物混合来制备盐凝胶。所得的凝胶混合物保持透明，表明这些成分彼此可混溶。得到的凝胶有两种固态；透明软态和不透明硬态，抗变形。科学家通过触摸三水醋酸钠晶种，通过二次成核，将盐凝胶从柔软状态变为坚硬状态。

在与晶种接触时，立即发生成核，使得结晶从整个材料的接触点开始。

为了进行实验，杨等人使用了一根顶端带有少量细小晶体粉末的木棒。因为这种现象起源于样品的表面，它们呈现出双重原因；首先，由于表面积的减少，凝胶表面上成核的自由能成本大大降低。之后，当接触时，表面经历了大量的动能。只要凝胶保持润滑，科学家就可以防止不必要的结晶。杨等人。

通过将盐凝胶加热到熔点以上，盐凝胶转变成柔软状态，这些特性用于根据需要固定凝胶的形状。他们通过控制凝胶的聚合物含量来调整冷冻状态的物理性质，以承受变形，并在应力释放时恢复其固定形状。

研究小组使用压痕测试了相似环境下两种状态下盐-凝胶体系的力学行为。他们比较了融化和冻结的盐凝胶，其中在冻结状态下形成可见的塑性变形，融化后消失。用杨等人测量的刚度在两种状态之间显示出显著的变化。虽然冻盐凝胶较硬，但与不含聚合物的冻盐对照相比，它对压痕较不易碎而不开裂。

在对混合材料进行进一步表征后，科学家们表明，当混合物中有更多的乙酸液体时，盐凝胶变得更软，弹性更小。当他们反复冷冻和融化凝胶时，他们没有观察到聚合物网络中的持久损伤，尽管材料在反复冷冻-融化循环后变得更硬。

然后，科学家们研究了盐凝胶的结晶行为，观察到生长的晶体推开了聚合物网络，而没有破坏或破坏网络。盐水合物显示出类似于水凝胶中水冻结的热行为，其中加入更多的聚合物和稀释剂导致更少的结晶。热行为表明盐凝胶具有很强的稳定性，过冷度大于150。

溶胶-凝胶显示出从软到硬的过渡接触、瞬间和强有力的自粘合、机械能储存和形成智能结构的能力。混合材料的主要优势是其独立的性质，这很容易允许添加制造。作为主要论点，Yang等人在实验室中使用紫外线光源，通过使用注射器输送未交联的盐凝胶溶液以交联该溶液，通过使用三维涂鸦来制造合成海参。

最终的打印结果在外观和力学上与活海参非常相似，其中真皮在透明柔软和不透明刚性状态之间切换。

他们通过使用木糖醇作为PCM(相变材料)将sal凝胶的概念扩展到其他材料。他们用糖醇制备了一种具有双固体行为的糖凝胶(糖胶)。当科学家将该结构过热至120摄氏度加速蒸发一周后，幼崽的体积没有明显变化，仍能维持其双态行为。

为了将溶胶-凝胶转化为实际应用，需要解决影响材料应用的两个技术问题：蒸发和灵敏度。通过在硅胶上涂覆润滑剂来优化和提高其稳定性，部分解决了这些问题。他们的目标是未来进一步设计材料，彻底解决局限性。与普通的单一固体相比，研究团队还改进了二合一固体的设计和功能灵活性。

这样，Fut(Kuo)Yang和他的同事们通过形成聚丙烯酸的相容聚合物网络，在功能性液体-过冷熔盐(乙酸钠三水合物)中策略性地构建了固体骨架，从而形成了混合材料sal- gel。材料在分子水平上的协同作用使得杨等利用其特性探索液体的相变和亚稳态。

混合结构显示了不同寻常的材料行为，可以在两种稳定的固体之间切换，这两种固体具有不同的机械性能，可以在相似的环境条件下共存。僵硬状态不需要持续刺激，为高级应用提供了新的功能。虽然目前的工作集中在过冷液体的转变，但杨等人希望将该方法扩展到具有不同功能的其他液体，以使机械可切换材料的范围多样化。