水凝胶材料的弹性力学研究

研究背景：水凝胶最大的弹性应变与聚合物交联之间的链段数的关系可以被描述为，有学者曾使用不固定的滑环交联策略来有效地增加拉伸过程中的值，使材料能够通过从横向拉伸而额外拉伸，最大弹性应变最终可达到。然而，水凝胶的双轴变形仍然具有挑战性，共价交联或不固定的滑环交联由于双轴变形的锁定而极大地限制了材料的拉伸性，使得等双轴拉伸加载下的最大线性应变比单轴拉伸下的低30%。为了使材料达到更高的的双轴可逆性弹性变形，清华大学化学系王朝课题组通过引入可逆的串珠链结构，是材料拥有更宽的弹性范围。在周期性机械应变下，亚纳米珠可以有效地展开和重折叠，最终得到可逆单轴应变高达1500%，可逆双轴面应变高达10000%的水凝胶。相关工作以“A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain"为题发表在Science期刊上，影响因子44.7，论文第一作者为Lili Chen，通讯作者为Chao Wang。9.2024.2346285

摘要：超弹性材料对大应变表现出非线性弹性响应，而水凝胶由于交联不均匀和交联间链段有限，通常具有较低的弹性范围。文章提出了一种超弹性水凝胶，它具有更宽的弹性范围，通过引入可逆的串珠链结构，亚纳米微珠在循环力学应变下能有效展开和折叠，材料在被拉伸到超过10000%的面应变后可以迅速恢复。此外，水凝胶可以快速愈合轻微的机械损伤，如针扎和割伤。使开发的离子水凝胶成为多功能气动夹持材料的理想选择。

研究方法：选择了具有强亲水性离子基团和弱疏水性的柔性烷基链的聚电解质，不考虑多阳离子或多阴离子。当水量不足时，烷基链之间的疏水作用会使链会塌缩成水合度较差的软珠，将有利的聚阳离子-水接触增至最大。随后，作者利用密度泛函理论（DFT）计算证实了缺水条件下的异质水合聚阳离子，进行了原子力显微镜（AFM）测试与二维小角X射线散射（2D SAXS）进一步证实了PNC 结构。

结果：当受到外部应变时，PNC结构中的珠子会依次展开。通过原位SAXS，证实了PNC结构高度可逆的展开和重新折叠。图2展示了不同应变下AETC-25水凝胶的原位SAXS图像和剖面图。在未变形状态下，只在二维SAXS图像中观察到一个圆形散射环，在一维SAXS曲线中观察到一个宽峰。随着水凝胶的拉伸，在低q区域出现了新的散射环和新的峰值，新峰的比例逐渐增大。当载荷卸载后，材料的应变从1500%恢复至原状，拉伸时产生的散射环和峰全部消失。恢复后材料的SAXS数据与未变形的水凝胶非常相似，证实了PNC结构的可逆性。

                                 图2. 原位SAXS表征的高度可逆串珠链结构。

AETC-25水凝胶表现出超高的单轴延性和超大的双轴弹性。单轴拉伸下材料对于拉伸速率的依赖性并不大，可以在几秒钟内从1500%的应变恢复到初始状态，显示出的可逆性。直径为2厘米的圆柱形水凝胶被双向拉伸到10000%的面应变后，能迅速恢复到初始面积。AETC-25水凝胶可以在充入空气后体积膨胀至1000倍。利用多项式各向同性超弹性模型进行有限元模拟，结果显示材料最大线性应变为1377%，相当于超过10000%的最大面应变。

AETC-25水凝胶具对轻微损伤不敏感和自感应能力，适合应用于软电子学和软机器人学。

结论：通过在聚合物网络中加入可逆PNC结构，获得了具有超大可逆双轴应变的超弹性水凝胶。与传统水凝胶相比，具有串珠结构的水凝胶具有更宽的弹性范围，这得益于亚纳米珠在循环机械应变下的有效展开和重新收缩，并表现出显著快速恢复，以及轻微机械损伤后快速愈合的特性。同时，还具有用于具有自感应功能的气动材料的潜力。为下一代软气动机器人所需要的超弹性、快速愈合和自感应功能提供了发展方向。

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