水凝膠，再發Science!

1.【科學背景】

水凝膠是由在水分子中膨脹的交聯聚合物網絡組成，其彈性來源于交聯聚合物鏈的可逆構象變化。相比于超彈性材料對大應變的非線性彈性相應，水凝膠材料往往受限于不均勻的交聯以及交聯點間有限的鏈段數，從而導致較低的彈性范圍。為了提高水凝膠的拉伸性，人們采取了可滑動環交聯策略，即通過在水凝膠分子鏈上引入可滑動環增加橫向拉伸實現雙向變形。但由于雙向拉伸時共價交聯/滑環交聯，雙向的變形會被鎖定，從而限制了水凝膠的拉伸性。目前通過雙向變形水凝膠的拉伸應變一般在2500%以下，低于單向線性拉伸至少30%。

2.【創新成果】

基于以上研究背景，清華大學王朝副教授（通訊作者）等人通過在水凝膠材料中引入一個可逆的珍珠-項鏈結構，實現了超過10000%的可逆雙向拉伸。亞納米級的珠子結構可以在循環機械應變下有效展開與折疊，從而實現超彈性。另外，超彈性水凝膠還具有對輕微機械損傷可快速愈合的能力，可以應用在多功能的氣動夾具中。相關研究成果以“A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain”為題發表在最新Science期刊上。

圖1. 具有珍珠-項鏈結構的水凝膠。? 2024 AAAS

圖2. 原位SAXS表征的高可逆珍珠-項鏈結構。? 2024 AAAS

圖3. 水凝膠的超彈性。? 2024 AAAS

圖4. 超彈、對輕微損傷不敏感、可快速愈合的氣動夾具。? 2024 AAAS

3.【科學啟迪】

在本工作中，作者通過將可逆的珍珠-項鏈結構引入水凝膠聚合物網絡中，實現了具有超高可逆雙向應變的超彈性水凝膠。在循環機械應變下，亞納米的珠子結構可以可逆高效的展開與折疊，賦予了與傳統水凝膠相比更寬的彈性范圍，并且水凝膠還具有對于輕微機械損傷快速愈合的能力，十分有望應用在下一代超彈、可快速愈合和自傳感的軟體氣動機器人中。

原文詳情：Chen, et al. A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain, Science (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3632。