水凝胶因其良好的生物相容性和较高的含水性,在生物医学和无标记传感器领域展现出巨大的应用前景。然而,常规水凝胶的机械性能往往较差,从而限制了它们在实际生活中的进一步应用。目前,研究人员基于能量耗散机制提出了多种改善水凝胶机械性能的方法,如添加纳米颗粒交联剂、引入第二重水凝胶网络或设计拓扑结构水凝胶等。虽然这些方法能够有效增强水凝胶的机械性能,但这些水凝胶在达到溶胀平衡时其机械性能仍会大幅度降低,且在遭受形变后容易疲软,难以自发恢复至初始状态。为了解决上述问题,本论文以提高水凝胶的机械性能为主要目标,通过对聚合物网络进行设计,制备了兼具优异机械性能和灵敏响应性能的新型水凝胶。光子晶体是一种能够将刺激响应性水凝胶的形态变化转换为光学输出信号的光学元件。基于此,本论文将光子晶体与上述的新型水凝胶相结合,构建了一系列操作简单、响应灵敏和信号可视的光子晶体水凝胶薄膜,进一步探索了薄膜在力学传感和化学传感领域的新应用。具体研究内容如下:（1）第二章中,以丙烯酰胺为单体、聚N-异丙基丙烯酰胺纳米凝胶（NGs）为交联剂,制备了一种具有高弹性和高强度的聚丙烯酰胺水凝胶（NAG）。这种水凝胶的溶胀率高达5500%,完全溶胀平衡时的拉伸率可达1500%。该水凝胶还具有优异的抗切割与抗压缩能力,且发生高水平变形后的水凝胶可在外力释放后立即恢复至初始状态。此外,改变单体的种类还可获得具有不同刺激响应性的纳米复合水凝胶,进一步扩展了水凝胶的应用范围。（2）第三章中,将NAG水凝胶与SiO2@PS光子晶体相结合,构建了一种具有机械变色能力的光子晶体水凝胶（PCNAG）传感器。该传感器以光子晶体为信号转换元件,水凝胶为刺激响应性单元,将外力的变化转换为裸眼可视的光学信号并予以输出。在拉伸水凝胶的过程中,PCNAG传感器的衍射波长随着拉伸率的增大而蓝移,其宏观结构色也随之由红色变为蓝色。而且该传感器在多次循环拉伸后其力学性仍能保持稳定,展现出优异的循环利用性能。通过调控SiO2@PS纳米颗粒的粒径或水凝胶的组分,可获得不同变色范围的PCNAG传感器,这种新型材料可能为发展便捷的视觉机械变色传感器提供了新的思路。（3）第四章中,基于铀酰离子(UO22+)与酰胺基和羧酸基之间的螯合反应,设计了一种能实现可视化监测和去除UO22+的二维光子晶体水凝胶（PCNAAG）传感器。该水凝胶具有优异的溶胀性能,在25℃时的溶胀率可高达8000%。当PCNAAG传感器与UO22+反应时,UO22+会与水凝胶骨架上的氨基、羧基官能团结合形成四配位或六配位的稳定螯合物,引起水凝胶收缩,导致水凝胶中二维光子晶体的纳米颗粒间距减小,德拜衍射环直径增大,传感器的宏观结构色蓝移。通过观察PCNAAG传感器的德拜环直径变化或结构色变化可实现UO22+的分析检测。这种传感器信号稳定,具有良好的特异性和可再生性,对UO22+的检测范围为50n M-100mM,最大吸附量为1213.25 mmol kg-1,并对实际水样中UO22+的可视化检测和去除展现出良好的结果。