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域受到廣泛關注，但其性能調控大多具有“配方依賴”性。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料重點實驗室受自然界中廣泛存在的圖案化異質結構（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）方案實現(xiàn)了其多屬性、寬范圍的力學性能調控。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，通過先浸泡N－丙烯?；被澹?/span>NASC）前驅體溶液再以選區(qū)曝光構建圖案化硬骨架（PNAGA＠PNASC），然后經(jīng)后續(xù)水平衡過程中的相轉化誘導氫鍵重構實現(xiàn)軟基質和硬骨架的無縫互鎖，發(fā)展了具有局部互穿網(wǎng)絡的圖案化硬骨架強化水凝膠。

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凝膠基礎上，通過圖案化設計（包括圖案形狀、圖案參數(shù)、圖案化比例等）實現(xiàn)了其機械性能的增強和調控。研究人員通過對預制缺陷下的裂紋擴展行為實驗、循環(huán)拉伸實驗、穿刺實驗和落球實驗對所制備的圖案化CSN水凝膠的力學性能進行了系統(tǒng)研究，結果表明，其韌性可在0.15－18　kJ　m^－2（120倍）、模量在0.32－5.92　MPa（19倍）內進行調控（圖2），并展現(xiàn)出優(yōu)異的預制缺陷擴展和形變不敏感以及抗沖擊等特性（圖3），為適應不同應用需求及其應用過程中的自適應性提供了有效的解決方案。

圖2．　圖案化水凝膠的寬范圍機械性能調控

圖3．　圖案化水凝膠的性能強化與應用前景

相關研究工作以“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)的石河子大學化學化工學院碩士研究生朱彬（現(xiàn)深圳大學化學與環(huán)境工程學院博士生）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大學助理教授張智星為共同通訊作者。

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