水凝胶，再发Science!

1.【科学背景】

水凝胶是由在水分子中膨胀的交联聚合物网络组成，其弹性来源于交联聚合物链的可逆构象变化。相比于超弹性材料对大应变的非线性弹性相应，水凝胶材料往往受限于不均匀的交联以及交联点间有限的链段数，从而导致较低的弹性范围。为了提高水凝胶的拉伸性，人们采取了可滑动环交联策略，即通过在水凝胶分子链上引入可滑动环增加横向拉伸实现双向变形。但由于双向拉伸时共价交联/滑环交联，双向的变形会被锁定，从而限制了水凝胶的拉伸性。目前通过双向变形水凝胶的拉伸应变一般在2500%以下，低于单向线性拉伸至少30%。

2.【创新成果】

基于以上研究背景，清华大学王朝副教授（通讯作者）等人通过在水凝胶材料中引入一个可逆的珍珠-项链结构，实现了超过10000%的可逆双向拉伸。亚纳米级的珠子结构可以在循环机械应变下有效展开与折叠，从而实现超弹性。另外，超弹性水凝胶还具有对轻微机械损伤可快速愈合的能力，可以应用在多功能的气动夹具中。相关研究成果以“A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain”为题发表在最新Science期刊上。

图1.具有珍珠-项链结构的水凝胶。© 2024 AAAS

图2.原位SAXS表征的高可逆珍珠-项链结构。© 2024 AAAS

图3.水凝胶的超弹性。© 2024 AAAS

图4.超弹、对轻微损伤不敏感、可快速愈合的气动夹具。© 2024 AAAS

3.【科学启迪】

在本工作中，作者通过将可逆的珍珠-项链结构引入水凝胶聚合物网络中，实现了具有超高可逆双向应变的超弹性水凝胶。在循环机械应变下，亚纳米的珠子结构可以可逆高效的展开与折叠，赋予了与传统水凝胶相比更宽的弹性范围，并且水凝胶还具有对于轻微机械损伤快速愈合的能力，十分有望应用在下一代超弹、可快速愈合和自传感的软体气动机器人中。

原文详情：Chen, et al. A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain, Science (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3632。