水凝膠材料在可穿戴設(shè)備、生物組織工程、傳感器、軟機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，上述應(yīng)用一般要求水凝膠能夠在多變機(jī)械載荷下保持結(jié)構(gòu)完整性，然而目前高性能水凝膠的設(shè)計(jì)仍難以兼顧拉伸、強(qiáng)度、韌性、自恢復(fù)和抗疲勞等特性。近日，我校beat365伍勇教授/譚帥副教授提出了一種通過(guò)疏水共價(jià)交聯(lián)構(gòu)建高強(qiáng)度抗疲勞水凝膠網(wǎng)格的新方法，并系統(tǒng)的研究了水凝膠的延展性、韌性、自恢復(fù)性和抗疲勞裂紋擴(kuò)張等特性，闡明了水凝膠內(nèi)能量耗散的詳細(xì)機(jī)制。相關(guān)研究成果“Unbreakable Hydrogels withSelf-Recoverable 10200% Stretchability”發(fā)表在《Advanced Materials》上，四川大學(xué)譚帥副教授為本文第一作者，譚帥副教授、伍勇教授為本文共同通訊作者，四川大學(xué)beat365為本文唯一單位。
研究通過(guò)二乙烯苯交聯(lián)劑與丙烯酰胺單體在膠束溶液中共聚構(gòu)建水凝膠網(wǎng)格，該網(wǎng)絡(luò)能夠提供疏水區(qū)域的動(dòng)態(tài)締合和親水鏈段的均勻交聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)超高的抗斷裂性和自恢復(fù)拉伸性。研究發(fā)現(xiàn)所制備的水凝膠內(nèi)具有兩種獨(dú)立的能量耗散機(jī)制，動(dòng)態(tài)疏水締合能夠?qū)崿F(xiàn)水凝膠的可恢復(fù)小變形，而親水鏈段的均勻交聯(lián)能夠確保聚合物鏈段的可逆自由展開，從而實(shí)現(xiàn)水凝膠的可恢復(fù)超大變形，同時(shí)鏈段沿拉伸方向的一致取向能夠增強(qiáng)凝膠的抗拉伸強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展性能?；谏鲜霆?dú)立分步的能量耗散過(guò)程，所獲得的水凝膠具有“牢不可破”的綜合機(jī)械性能。水凝膠具有超高的自恢復(fù)拉伸性（10200%拉伸應(yīng)變，100%自恢復(fù)）、優(yōu)異的抗斷裂性（斷裂功大于18.8 MJ m–3,韌性大于26 kJ m–2),抗裂紋擴(kuò)展和疲勞(疲勞閾值2.5 kJ m–2)。即使是預(yù)開槽的水凝膠也可以在10200%應(yīng)變下承受數(shù)十次循環(huán)載荷，在200%應(yīng)變下承受數(shù)千次循環(huán)載荷，而機(jī)械性能沒有明顯變化。相較于目前已報(bào)道的構(gòu)筑高強(qiáng)度水凝膠的方法，本研究基于疏水共價(jià)交聯(lián)所構(gòu)建的水凝膠在韌性、延展性、疲勞閾值、自恢復(fù)性能、循環(huán)拉伸性、斷裂功等參數(shù)上均具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。
圖1(a)具有可恢復(fù)的超高拉伸性的高強(qiáng)度水凝膠中能量耗散機(jī)制的示意圖，和(b)預(yù)刻槽水凝膠的循環(huán)超高拉伸和自恢復(fù)性能
圖2(a)水凝膠的壓縮性能；(b)水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(c)在不同拉伸速度下的標(biāo)稱拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(d)水凝膠在不同拉伸值下的應(yīng)力松弛曲線；(e)水凝膠應(yīng)力松弛后的殘余應(yīng)力；(f)水凝膠的循環(huán)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖3(a)水凝膠在不同撕裂速度下的撕裂力-位移曲線；(b)不同撕裂速度下的能量釋放率速度；(c)預(yù)刻槽和無(wú)缺口水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(d)預(yù)刻槽水凝膠的循環(huán)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變；(e)自恢復(fù)預(yù)刻槽水凝膠的循環(huán)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變；(f)水凝膠的拉神斷裂功、韌性、循環(huán)拉伸性、自恢復(fù)性能、疲勞閾值、延展性的性能比較
本研究提出了一種簡(jiǎn)單的構(gòu)建高強(qiáng)度耐疲勞自恢復(fù)水凝膠的新方法并闡明機(jī)理，為高強(qiáng)度水凝膠的進(jìn)一步開發(fā)與推廣應(yīng)用奠定了重要的研究基礎(chǔ)。本研究項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委（22178235，21805199），中國(guó)博士后基金會(huì)資金（2019M663494）和四川大學(xué)“化工之星”人才項(xiàng)目的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202206904
撰稿：譚帥
審核：鈕大文
編輯：高敏
2022年8月29日
