水凝膠材料的彈性力學研究

研究背景：水凝膠最大的彈性應變與聚合物交聯之間的鏈段數的關系可以被描述為，有學者曾使用不固定的滑環交聯策略來有效地增加拉伸過程中的值，使材料能夠通過從橫向拉伸而額外拉伸，最大彈性應變最終可達到。然而，水凝膠的雙軸變形仍然具有挑戰性，共價交聯或不固定的滑環交聯由于雙軸變形的鎖定而極大地限制了材料的拉伸性，使得等雙軸拉伸加載下的最大線性應變比單軸拉伸下的低30%。為了使材料達到更高的的雙軸可逆性彈性變形，清華大學化學系王朝課題組通過引入可逆的串珠鏈結構，是材料擁有更寬的彈性范圍。在周期性機械應變下，亞納米珠可以有效地展開和重折疊，最終得到可逆單軸應變高達1500%，可逆雙軸面應變高達10000%的水凝膠。相關工作以“A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain"為題發表在Science期刊上，影響因子44.7，論文第一作者為Lili Chen，通訊作者為Chao Wang。9.2024.2346285

摘要：超彈性材料對大應變表現出非線性彈性響應，而水凝膠由于交聯不均勻和交聯間鏈段有限，通常具有較低的彈性范圍。文章提出了一種超彈性水凝膠，它具有更寬的彈性范圍，通過引入可逆的串珠鏈結構，亞納米微珠在循環力學應變下能有效展開和折疊，材料在被拉伸到超過10000%的面應變后可以迅速恢復。此外，水凝膠可以快速愈合輕微的機械損傷，如針扎和割傷。使開發的離子水凝膠成為多功能氣動夾持材料的理想選擇。

研究方法：選擇了具有強親水性離子基團和弱疏水性的柔性烷基鏈的聚電解質，不考慮多陽離子或多陰離子。當水量不足時，烷基鏈之間的疏水作用會使鏈會塌縮成水合度較差的軟珠，將有利的聚陽離子-水接觸增至最大。隨后，作者利用密度泛函理論（DFT）計算證實了缺水條件下的異質水合聚陽離子，進行了原子力顯微鏡（AFM）測試與二維小角X射線散射（2D SAXS）進一步證實了PNC 結構。

結果：當受到外部應變時，PNC結構中的珠子會依次展開。通過原位SAXS，證實了PNC結構高度可逆的展開和重新折疊。圖2展示了不同應變下AETC-25水凝膠的原位SAXS圖像和剖面圖。在未變形狀態下，只在二維SAXS圖像中觀察到一個圓形散射環，在一維SAXS曲線中觀察到一個寬峰。隨著水凝膠的拉伸，在低q區域出現了新的散射環和新的峰值，新峰的比例逐漸增大。當載荷卸載后，材料的應變從1500%恢復至原狀，拉伸時產生的散射環和峰全部消失。恢復后材料的SAXS數據與未變形的水凝膠非常相似，證實了PNC結構的可逆性。

                                 圖2. 原位SAXS表征的高度可逆串珠鏈結構。

AETC-25水凝膠表現出超高的單軸延性和超大的雙軸彈性。單軸拉伸下材料對于拉伸速率的依賴性并不大，可以在幾秒鐘內從1500%的應變恢復到初始狀態，顯示出的可逆性。直徑為2厘米的圓柱形水凝膠被雙向拉伸到10000%的面應變后，能迅速恢復到初始面積。AETC-25水凝膠可以在充入空氣后體積膨脹至1000倍。利用多項式各向同性超彈性模型進行有限元模擬，結果顯示材料最大線性應變為1377%，相當于超過10000%的最大面應變。

AETC-25水凝膠具對輕微損傷不敏感和自感應能力，適合應用于軟電子學和軟機器人學。

結論：通過在聚合物網絡中加入可逆PNC結構，獲得了具有超大可逆雙軸應變的超彈性水凝膠。與傳統水凝膠相比，具有串珠結構的水凝膠具有更寬的彈性范圍，這得益于亞納米珠在循環機械應變下的有效展開和重新收縮，并表現出顯著快速恢復，以及輕微機械損傷后快速愈合的特性。同時，還具有用于具有自感應功能的氣動材料的潛力。為下一代軟氣動機器人所需要的超彈性、快速愈合和自感應功能提供了發展方向。

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