還認為水凝膠“吹彈可破”嗎？帶你領略“防彈”水凝膠的魅力

水凝膠基柔性材料已廣泛應用于人工智能、可穿戴設備、軟物質機器人、電子器件等領域，而如何保證其在沖擊作用下維持其結構與性能的穩定性是待解決的一大難題。貝殼珍珠層結構由文石晶體與有機基質交錯排列而成，呈現出規整有序的“磚墻”式結構，具備極高的強度和韌性。

陳詠梅課題組采用紫外引發自由基聚合的方法設計了一種新穎的基于珍珠層仿生結構的高強度抗穿刺氯化鋰/聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝膠（LiCl-PVA/PAA）。經由紫外引發聚合的PVA/PAA水凝膠前驅體在濃鋰鹽的作用下形成仿珍珠層“磚墻”式結構，其中PAA相當于“磚”承受抗壓強度，PVA形成沿著相界分布的薄層網絡起能量耗散的作用（相當于“砂漿”），使該基于珍珠層仿生結構LiCl-PVA/PAA水凝膠獲得了極優異的機械性能（圖1）。

圖1 基于珍珠層仿生結構的高強度抗穿刺LiCl-PVA/PAA水凝膠 （a）凝膠珍珠層形成機理 （b） PAA與（1）PVA鏈之間及（2）PAA與Li +之間的原子分子動力學模型 （c） LiCl-PVA/PAA水凝膠的制作步驟 （d） PVA/PAA水凝膠前驅體體積及透明度隨在鋰鹽溶液中浸泡時間的變化示意圖

該凝膠具有自修復功能，可以抵抗500 g的負載以及實現縫合操作。其拉伸強度達到11.3±2.1MPa，應變超過1300％，韌性為48.0±3.1 MJ / m3，斷裂能為54.9kJ / m2，抗壓強度超過700 MPa （是目前最先進的雙網絡水凝膠的10倍以上），此外，該凝膠薄膜可承受釘尖400 MPa的靜態穿刺，同時可承受最高時速為540公里/小時的飛行鋼球（動能是尖銳飛行物的8倍）的沖擊，并將鋼球彈回后恢復原態，展示出了極優異的抗穿刺抗擊打能力（圖2）。

圖2  LiCl-PVA/PAA水凝膠抗穿刺性能（a）凝膠珍珠被切成兩半后，并抵抗500g的負載照片 （b） 兩片凝膠珍珠層縫合照片 （c） PVA和PAA的總含量保持在30 wt%，水凝膠應力應變圖（d）1.5 mm厚的試樣在400 Mpa靜壓下的耐穿性 （e）凝膠對飛鋼球（直徑10mm，重量4.10 g，速度540 km/h）的阻力

通過設計貝殼珍珠層結構的LiCl-PVA/PAA水凝膠同時具備高韌性和高強度，后續工作再利用水凝膠多樣化體系的電化學兼容性，使該凝膠材料成為可預見的抗穿刺電池、燃料電池以及電子產品的候選材料。本篇文章發表在ACS Appl. Mater. Interfaces上，陜西科技大學特聘教授陳詠梅，西安交通大學宋曉平教授和美國內布拉斯加大學譚力教授為共同通訊作者。

論文信息與鏈接

Zhao XQ, Wang MX, Chen YM*, Chen ZG, Suo T, Qian W, Hu J, Song XP*, Mei WN, Sabirianov R, Tan L*. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, 11: 19421-19428. DOI: 10.1021/acsami.9b02328

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b02328