東京大學Science：具有快速自增強功能的水凝膠

【引言】

水凝膠是一種以水為溶劑的聚合物網絡，由于其聚合物濃度低、網絡結構不均勻，一般具有較低的機械強度。水凝膠的加固擴大了其在可穿戴傳感器、驅動器和軟機器人方面的應用。通常，犧牲鍵、納米顆粒和晶體結構被納入水凝膠中以消散能量，從而獲得高韌性。在大變形下，這些結構的“減法”損傷會耗散能量，并增加破壞材料所需的表觀功。利用可逆相互作用作為能量耗散機制，可以實現結構和機械恢復程度高的韌性凝膠。此外，通過犧牲損傷結構產生的機械自由基引發聚合反應，在重復載荷下獲得了超過100%的機械恢復。然而，重建受損結構通常需要幾分鐘或幾小時；能量消耗越大，重建所需的時間就越長。當堅韌的水凝膠經歷多次加載-卸載周期而沒有等待時間時，這會導致機械強度的下降。

【成果簡介】

近日，在日本東京大學Kohzo Ito教授和Koichi Mayumi教授（共同通訊作者）團隊等人帶領下，提出了一種使用應變誘導結晶的水凝膠無損傷強化策略。對于聚乙二醇鏈高度取向并在大變形下相互暴露的滑環凝膠，結晶形成并隨著伸長和收縮而熔化，從而導致幾乎100%的快速恢復延伸能和每平方米6.6~22兆焦耳的優良韌性，這比聚乙二醇共價交聯的均相凝膠的韌性大一個數量級。相關成果以題為“Tough hydrogels with rapid self-reinforcement”發表在了Science。

【圖文導讀】

圖1?樣品示意圖和強化策略

（A）由CDs組成的可移動交聯SR凝膠。PEG的密堆積結構在拉伸和釋放過程中形成和破壞。

（B）具有固定交聯的Tetra凝膠。

圖2 極限拉伸下的可逆加固

（A）SR凝膠和Tetra凝膠的σ -λ曲線。

（B）由楊氏模量歸一化的SR和Tetra凝膠的 σ-λ 曲線。

（C）Tetra-0.33和SR-0.38單邊缺口試樣在拉伸前（左）和在拉伸下裂紋開始擴展后（右）的照片。藍色和紅色箭頭分別表示拉伸和裂紋擴展的方向。白色比例尺代表 1 mm。

（D）SR凝膠的加載-卸載曲線。實線（虛線）箭頭表示第一個（第二個）加載周期。

（E）SR-0.38凝膠的8倍加載和卸載的100個連續循環。水平移動應用于第 20、40、60、80 和 100 次循環曲線。

圖3 循環負載作用下的結構轉變

（A，B）SR-0.18 (A) 和 SR-0.38 (B) 在加載-卸載循環期間的WAXS和SAXS圖。白色雙箭頭表示拉伸方向。

（C）SR-0.18和SR-0.38凝膠在垂直于拉伸的方向上的WAXS曲線。

（D）平面鋸齒形PEG及其三斜晶體的結構。

（E）7/2螺旋PEG及其單斜晶體的結構。

文獻鏈接：Tough hydrogels with rapid self-reinforcement（Science，2021，DOI:10.1126/science.aaz6694）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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