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

圖1．　強韌水凝膠和超彈性水凝膠在力學(xué)機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(xué)強度，弱相互作用（氫鍵）消除屈服；進一步在網(wǎng)絡(luò)中植入密集的鏈纏結(jié)，從而實現(xiàn)完美的超彈性，填補了僅使用高階結(jié)構(gòu)（納米相分離、珍珠項鏈結(jié)構(gòu)和彈性蛋白）來設(shè)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(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)報道，目前超彈性水凝膠的構(gòu)建策略大致可分為兩個模塊，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、珍珠項鏈結(jié)構(gòu)和彈性體蛋白實現(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)控非共價相互作用來抵消在增強增韌過程中導(dǎo)致的屈服現(xiàn)象，進而實現(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

研究人員通過實驗和理論分別驗證了采用耗散能分子工程構(gòu)建的超彈性水凝膠。在實驗視角上，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，第一性原理計算表面非共價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)異的拉伸強度和線性彈性變形，同時具有優(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，該項工作為設(shè)計彈性且堅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驗驗證

圖5．　耗散能分子工程構(gòu)筑的超彈性水凝膠的作用機制

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（B類）等的支持。