具有濕軟特性的水凝膠在仿生潤滑、觸覺感知、生物傳感和柔性電子等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，但其性能調(diào)控大多具有“配方依賴”性。

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室受自然界中廣泛存在的圖案化異質(zhì)結(jié)構(gòu)（如昆蟲翅膀和植物葉脈等）啟發(fā)，發(fā)展了一種圖案化水凝膠（CSN水凝膠）方案實(shí)現(xiàn)了其多屬性、寬范圍的力學(xué)性能調(diào)控。如圖1所示，研究人員以光固化聚（N－丙烯酰甘氨酰胺）（PNAGA）水凝膠作為軟基質(zhì)，通過先浸泡N－丙烯?；被澹?/span>NASC）前驅(qū)體溶液再以選區(qū)曝光構(gòu)建圖案化硬骨架（PNAGA＠PNASC），然后經(jīng)后續(xù)水平衡過程中的相轉(zhuǎn)化誘導(dǎo)氫鍵重構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟基質(zhì)和硬骨架的無縫互鎖，發(fā)展了具有局部互穿網(wǎng)絡(luò)的圖案化硬骨架強(qiáng)化水凝膠。

圖1．　圖案化水凝膠的制備

該方法制備的CSN水凝膠能夠在軟基質(zhì)凝膠基礎(chǔ)上，通過圖案化設(shè)計（包括圖案形狀、圖案參數(shù)、圖案化比例等）實(shí)現(xiàn)了其機(jī)械性能的增強(qiáng)和調(diào)控。研究人員通過對預(yù)制缺陷下的裂紋擴(kuò)展行為實(shí)驗(yàn)、循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)、穿刺實(shí)驗(yàn)和落球?qū)嶒?yàn)對所制備的圖案化CSN水凝膠的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，其韌性可在0.15－18　kJ　m^－2（120倍）、模量在0.32－5.92　MPa（19倍）內(nèi)進(jìn)行調(diào)控（圖2），并展現(xiàn)出優(yōu)異的預(yù)制缺陷擴(kuò)展和形變不敏感以及抗沖擊等特性（圖3），為適應(yīng)不同應(yīng)用需求及其應(yīng)用過程中的自適應(yīng)性提供了有效的解決方案。

圖2．　圖案化水凝膠的寬范圍機(jī)械性能調(diào)控

圖3．　圖案化水凝膠的性能強(qiáng)化與應(yīng)用前景

相關(guān)研究工作以“Sculpting　mechanical　properties　of　hydrogels　by　patterning　seamlessly　interlocked　stiff　skeleton”為題發(fā)表在Advanced　Functional　Materials（2024，2417477，https：／／doi．org／10.1002／adfm．202417477）上。蘭州化物所聯(lián)合培養(yǎng)的石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士研究生朱彬（現(xiàn)深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院博士生）為論文第一作者，蘭州化物所王曉龍研究員、Institut　Jacques　Monod博士后蔣盼和深圳技術(shù)大學(xué)助理教授張智星為共同通訊作者。

該工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。