近二十年，聚合物凝膠，尤其是水凝膠，其力學(xué)強(qiáng)度、韌性、疲勞和黏附等性質(zhì)的調(diào)控和提升已取得巨大進(jìn)步，體現(xiàn)在先進(jìn)的力學(xué)機(jī)制和構(gòu)造方法。然而，在力學(xué)強(qiáng)度和完美彈性之間尋求權(quán)衡仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖1．　強(qiáng)韌水凝膠和超彈性水凝膠在力學(xué)機(jī)制和性能方面的差異

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所提出了耗散能分子工程策略，該策略指強(qiáng)弱相互作用在分子水平上的互補(bǔ)性，即強(qiáng)相互作用（金屬配位鍵）提供力學(xué)強(qiáng)度，弱相互作用（氫鍵）消除屈服；進(jìn)一步在網(wǎng)絡(luò)中植入密集的鏈纏結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)完美的超彈性，填補(bǔ)了僅使用高階結(jié)構(gòu)（納米相分離、珍珠項(xiàng)鏈結(jié)構(gòu)和彈性蛋白）來設(shè)計(jì)超彈性水凝膠的空白。此外，這兩種相互作用在鍵合時(shí)間和鍵合能之間的互補(bǔ)性提供了具有可控范圍的力學(xué)性能調(diào)控窗口。

圖2．　耗散能分子工程策略構(gòu)建的超彈性水凝膠

據(jù)報(bào)道，目前超彈性水凝膠的構(gòu)建策略大致可分為兩個(gè)模塊，一種是引入高階結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)工程策略，利用納米相分離、珍珠項(xiàng)鏈結(jié)構(gòu)和彈性體蛋白實(shí)現(xiàn)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(diào)控非共價(jià)相互作用來抵消在增強(qiáng)增韌過程中導(dǎo)致的屈服現(xiàn)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超彈性。

圖3．　構(gòu)建超彈性水凝膠的分子工程和結(jié)構(gòu)工程策略

研究人員通過實(shí)驗(yàn)和理論分別驗(yàn)證了采用耗散能分子工程構(gòu)建的超彈性水凝膠。在實(shí)驗(yàn)視角上，超彈性水凝膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)完美的線性，直至斷裂；連續(xù)的壓縮測試呈現(xiàn)可忽略的滯后和超快時(shí)間尺度的回彈（通常在秒內(nèi)恢復(fù)）。在理論視角上，第一性原理計(jì)算表面非共價(jià)相互作用之間的大結(jié)合能差有效為消除屈服提供調(diào)控策略，分子動(dòng)力學(xué)也表明這種超彈性歸因于弱氫鍵在小應(yīng)變階段作為主導(dǎo)的耗散能，強(qiáng)金屬配位鍵在大應(yīng)變階段作為主導(dǎo)的耗散能，熱力學(xué)穩(wěn)定的鏈纏結(jié)作為超彈性支撐。其具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和線性彈性變形，同時(shí)具有優(yōu)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(xiàng)工作為設(shè)計(jì)彈性且堅(jiān)韌的聚合物凝膠提供了具有前途的概念和構(gòu)筑策略，并為工程凝膠材料的互不兼容的物理和化學(xué)性能帶來了新的視角。

圖4．　耗散能分子工程構(gòu)筑的超彈性水凝膠的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖5．　耗散能分子工程構(gòu)筑的超彈性水凝膠的作用機(jī)制

相關(guān)研究工作以“Hydrogels　with　Hyperelasticity　Engineered　via　Molecular　Engineering　of　Dissipative　Energy”為題發(fā)表在Advanced　Functional　Materials（2024，2413334，https：／／doi．org／10.1002／adfm．202413334）上。中國科學(xué)院大學(xué)博士生許成功為該論文第一作者，中國科學(xué)院院士、蘭州化學(xué)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(xué)郭志光教授為共同通訊作者。

該工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。