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儀表網 研發快訊】近二十年，聚合物凝膠，尤其是水凝膠，其力學強度、韌性、疲勞和黏附等性質的調控和提升已取得巨大進步，體現在先進的力學機制和構造方法。然而，在力學強度和完美彈性之間尋求權衡仍是一個挑戰。
圖1. 強韌水凝膠和超彈性水凝膠在力學機制和性能方面的差異
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所提出了耗散能分子工程策略，該策略指強弱相互作用在分子水平上的互補性，即強相互作用(金屬配位鍵)提供力學強度，弱相互作用(氫鍵)消除屈服；進一步在網絡中植入密集的鏈纏結，從而實現完美的超彈性，填補了僅使用高階結構(納米相分離、珍珠項鏈結構和彈性蛋白)來設計超彈性水凝膠的空白。此外，這兩種相互作用在鍵合時間和鍵合能之間的互補性提供了具有可控范圍的力學性能調控窗口。
圖2. 耗散能分子工程策略構建的超彈性水凝膠
據報道，目前超彈性水凝膠的構建策略大致可分為兩個模塊，一種是引入高階結構的結構工程策略，利用納米相分離、珍珠項鏈結構和彈性體蛋白實現超彈性，這類研究目前還較少。另一種是該研究提出的耗散能分子工程，研究人員通過調控非共價相互作用來抵消在增強增韌過程中導致的屈服現象，進而實現超彈性。
圖3. 構建超彈性水凝膠的分子工程和結構工程策略
研究人員通過實驗和理論分別驗證了采用耗散能分子工程構建的超彈性水凝膠。在實驗視角上，超彈性水凝膠拉伸應力應變曲線呈現完美的線性，直至斷裂；連續的壓縮測試呈現可忽略的滯后和超快時間尺度的回彈(通常在秒內恢復)。在理論視角上，第一性原理計算表面非共價相互作用之間的大結合能差有效為消除屈服提供調控策略，分子動力學也表明這種超彈性歸因于弱氫鍵在小應變階段作為主導的耗散能，強金屬配位鍵在大應變階段作為主導的耗散能，熱力學穩定的鏈纏結作為超彈性支撐。其具有優異的拉伸強度和線性彈性變形，同時具有優異的抗溶脹能力、生物相容性、親水性和類皮膚的
彈性模量。因此，該項工作為設計彈性且堅韌的聚合物凝膠提供了具有前途的概念和構筑策略，并為工程凝膠材料的互不兼容的物理和化學性能帶來了新的視角。
圖4. 耗散能分子工程構筑的超彈性水凝膠的實驗驗證
圖5. 耗散能分子工程構筑的超彈性水凝膠的作用機制
相關研究工作以“Hydrogels with Hyperelasticity Engineered via Molecular Engineering of Dissipative Energy”為題發表在Advanced Functional Materials(2024，2413334，https：//doi.org/10.1002/adfm.202413334)上。中國科學院大學博士生許成功為該論文第一作者，中國科學院院士、蘭州化學物理研究所劉維民研究員，蘭州化物所黃金霞副研究員和湖北大學郭志光教授為共同通訊作者。
該工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項(B類)等的支持。
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