研究背景：水凝膠最大的彈性應(yīng)變與聚合物交聯(lián)之間的鏈段數(shù)的關(guān)系可以被描述為，有學(xué)者曾使用不固定的滑環(huán)交聯(lián)策略來有效地增加拉伸過程中的值，使材料能夠通過從橫向拉伸而額外拉伸，最大彈性應(yīng)變最終可達(dá)到。然而，水凝膠的雙軸變形仍然具有挑戰(zhàn)性，共價交聯(lián)或不固定的滑環(huán)交聯(lián)由于雙軸變形的鎖定而極大地限制了材料的拉伸性，使得等雙軸拉伸加載下的最大線性應(yīng)變比單軸拉伸下的低30%。為了使材料達(dá)到更高的的雙軸可逆性彈性變形，清華大學(xué)化學(xué)系王朝課題組通過引入可逆的串珠鏈結(jié)構(gòu)，是材料擁有更寬的彈性范圍。在周期性機(jī)械應(yīng)變下，亞納米珠可以有效地展開和重折疊，最終得到可逆單軸應(yīng)變高達(dá)1500%，可逆雙軸面應(yīng)變高達(dá)10000%的水凝膠。相關(guān)工作以“A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain"為題發(fā)表在Science期刊上，影響因子44.7，論文第一作者為Lili Chen，通訊作者為Chao Wang。9.2024.2346285

摘要：超彈性材料對大應(yīng)變表現(xiàn)出非線性彈性響應(yīng)，而水凝膠由于交聯(lián)不均勻和交聯(lián)間鏈段有限，通常具有較低的彈性范圍。文章提出了一種超彈性水凝膠，它具有更寬的彈性范圍，通過引入可逆的串珠鏈結(jié)構(gòu)，亞納米微珠在循環(huán)力學(xué)應(yīng)變下能有效展開和折疊，材料在被拉伸到超過10000%的面應(yīng)變后可以迅速恢復(fù)。此外，水凝膠可以快速愈合輕微的機(jī)械損傷，如針扎和割傷。使開發(fā)的離子水凝膠成為多功能氣動夾持材料的理想選擇。

研究方法：選擇了具有強(qiáng)親水性離子基團(tuán)和弱疏水性的柔性烷基鏈的聚電解質(zhì)，不考慮多陽離子或多陰離子。當(dāng)水量不足時，烷基鏈之間的疏水作用會使鏈會塌縮成水合度較差的軟珠，將有利的聚陽離子-水接觸增至最大。隨后，作者利用密度泛函理論（DFT）計算證實(shí)了缺水條件下的異質(zhì)水合聚陽離子，進(jìn)行了原子力顯微鏡（AFM）測試與二維小角X射線散射（2D SAXS）進(jìn)一步證實(shí)了PNC 結(jié)構(gòu)。

結(jié)果：當(dāng)受到外部應(yīng)變時，PNC結(jié)構(gòu)中的珠子會依次展開。通過原位SAXS，證實(shí)了PNC結(jié)構(gòu)高度可逆的展開和重新折疊。圖2展示了不同應(yīng)變下AETC-25水凝膠的原位SAXS圖像和剖面圖。在未變形狀態(tài)下，只在二維SAXS圖像中觀察到一個圓形散射環(huán)，在一維SAXS曲線中觀察到一個寬峰。隨著水凝膠的拉伸，在低q區(qū)域出現(xiàn)了新的散射環(huán)和新的峰值，新峰的比例逐漸增大。當(dāng)載荷卸載后，材料的應(yīng)變從1500%恢復(fù)至原狀，拉伸時產(chǎn)生的散射環(huán)和峰全部消失?；謴?fù)后材料的SAXS數(shù)據(jù)與未變形的水凝膠非常相似，證實(shí)了PNC結(jié)構(gòu)的可逆性。

                                 圖2. 原位SAXS表征的高度可逆串珠鏈結(jié)構(gòu)。

AETC-25水凝膠表現(xiàn)出超高的單軸延性和超大的雙軸彈性。單軸拉伸下材料對于拉伸速率的依賴性并不大，可以在幾秒鐘內(nèi)從1500%的應(yīng)變恢復(fù)到初始狀態(tài)，顯示出的可逆性。直徑為2厘米的圓柱形水凝膠被雙向拉伸到10000%的面應(yīng)變后，能迅速恢復(fù)到初始面積。AETC-25水凝膠可以在充入空氣后體積膨脹至1000倍。利用多項(xiàng)式各向同性超彈性模型進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果顯示材料最大線性應(yīng)變?yōu)?377%，相當(dāng)于超過10000%的最大面應(yīng)變。

AETC-25水凝膠具對輕微損傷不敏感和自感應(yīng)能力，適合應(yīng)用于軟電子學(xué)和軟機(jī)器人學(xué)。

結(jié)論：通過在聚合物網(wǎng)絡(luò)中加入可逆PNC結(jié)構(gòu)，獲得了具有超大可逆雙軸應(yīng)變的超彈性水凝膠。與傳統(tǒng)水凝膠相比，具有串珠結(jié)構(gòu)的水凝膠具有更寬的彈性范圍，這得益于亞納米珠在循環(huán)機(jī)械應(yīng)變下的有效展開和重新收縮，并表現(xiàn)出顯著快速恢復(fù)，以及輕微機(jī)械損傷后快速愈合的特性。同時，還具有用于具有自感應(yīng)功能的氣動材料的潛力。為下一代軟氣動機(jī)器人所需要的超彈性、快速愈合和自感應(yīng)功能提供了發(fā)展方向。

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