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Adv. Mater.: 實現百萬次驗證的各向異性抗疲勞水凝膠

2021-07-15 15:53:34 作者：知社學術圈來源：知社學術圈分享至：

自然界中的生物材料常常使用有限的成分進行構筑，其可通過利用多尺度的結構設計，使其與人工材料相比，具有無與倫比的機械性能。相比之下，合成材料的設計主要集中在開發新的化合物，而不能復制大自然生物材料的優異特性，如抗疲勞性能。

南科大劉吉團隊在Advanced Materials上發表文章“Anisotropically Fatigue-Resistant Hydrogels”，報道一種簡單而通用的策略，實現水凝膠內部多尺度微結構的構建，從而提高其疲勞閾值達100倍以上。該策略可被廣泛應用于各種水凝膠材料，包括多糖（藻酸鹽、纖維素）、蛋白質（明膠）、合成聚合物（聚乙烯醇）以及相應的聚合物復合材料。本工作中所報道的抗疲勞水凝膠，相對于傳統方法獲得的水凝膠材料具有優異的抗疲勞特性，同時兼具成本低、性能高、耐用等優點，有望應用于軟體機器人和人造肌肉等領域。

劉吉團隊報道的方法只需要兩步簡單的工藝（圖1）：首先通過冷凍鑄造實現水凝膠內部多尺度微/納米結構的構建，隨后通過熱處理調控納米晶域的可控分布，有效的抵抗裂紋拓展。為了驗證抗疲勞水凝膠的設計原理，該團隊選用醫用聚合物聚乙烯醇（PVA），獲得高含水量（~ 90%）的水凝膠材料。這類水凝膠沿著冷凍鑄造方向展現出優異的力學性能，可以輕易地提起比自身重3萬多倍的重物，斷裂韌性高達116 kJ m-2。

圖1. 各向異性抗疲勞水凝膠的制備過程、實物展示和多尺度結構表征。

如圖2所示，通過定量測量疲勞裂紋的拓展曲線，他們發現無退火處理的PVA水凝膠的疲勞閾值僅僅只有20 J m-2，約等于斷裂一層無定形分子鏈，與傳統化學交聯的PVA水凝膠類似。當PVA水凝膠經過冷凍鑄造和退火處理后，其疲勞閾值在垂直取向上為34 J m-2，而在平行取向上能夠達到1340 J m-2。同時，提高PVA的水含量能實現疲勞閾值高達2740 J m-2。此外，該各向異性抗疲勞水凝膠的策略被證實可以應用于其他不同的材料體系，如多糖（藻酸鹽、纖維素）、蛋白質（明膠）、合成聚合物（PVA）以及相應的聚合物復合材料。