從生物醫(yī)學(xué)設(shè)備到軟機器人的各種工程應(yīng)用增加了對功能性軟材料的需求。在許多此類應(yīng)用中，材料必須經(jīng)受大變形而不發(fā)生破壞。軟聚合物材料（彈性體）可以具有所需的機械和化學(xué)性能，但通常缺乏必要的韌性（吸收能量和變形而不斷裂的能力）以在經(jīng)歷大變形時保持性能。近日，Science上同時發(fā)表了兩篇關(guān)于軟聚合物研究論文，兩篇論文展示了截然不同但有效的途徑來制造堅韌的軟聚合物。杜克大學(xué)Stephen L. Craig、龔劍萍等人使用力驅(qū)動的化學(xué)反應(yīng)來延長聚合物鏈的長度。而哈佛大學(xué)鎖志剛等人依賴于單個聚合物鏈的滑動的物理相互作用。在這兩種情況下，作者報告了材料韌性的顯著增加，這可以為在新興技術(shù)中可靠地實現(xiàn)軟材料提供一條途徑。
軟聚合物材料承受大變形的能力直接與其潛在的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。彈性體由長聚合物鏈組成，通常像煮熟的意大利面條一樣盤繞起來。這些鏈通過化學(xué)交聯(lián)或物理纏結(jié)相互連接，形成一個網(wǎng)絡(luò)。拉動材料會使鏈條變直，而鏈間連接會分配所施加的機械載荷。這些連接防止鏈條彼此滑動，并產(chǎn)生類似于固體的響應(yīng)。彈性體力學(xué)的早期工作側(cè)重于通過交聯(lián)密度、纏結(jié)密度和鏈柔韌性來操縱性能。可以通過引入填料顆粒來實現(xiàn)增韌。后來的許多創(chuàng)新都依賴于材料內(nèi)部的犧牲鍵，這種鍵通過斷裂來耗散能量，這種機制廣泛存在于生物組織中。除了這些犧牲鍵之外，還實現(xiàn)了可在斷裂后重新形成的可逆鍵，從而避免了韌性與損傷的耦合，并提供了良好的剛度和延展性。方法包括離子鍵、氫鍵、金屬配位鍵和可逆共價鍵。然而，用這些可逆鍵代替永久共價鍵會導(dǎo)致形狀逐漸變化，這在許多應(yīng)用中是不可取的。為了幫助解決這些問題，龔劍萍等人先前開發(fā)了雙網(wǎng)絡(luò) (DN) 凝膠，該凝膠結(jié)合了兩種具有互補特性的聚合物網(wǎng)絡(luò)。通常，一個網(wǎng)絡(luò)更硬、更脆，并且具有可逆的鍵，而第二個網(wǎng)絡(luò)更柔順和可拉伸。這一創(chuàng)新導(dǎo)致了韌性的巨大改進。然而，DN方法引入了較大的滯后。力驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)提高水凝膠韌性這次，龔劍萍等人提出的方法可以通過聚合物鏈內(nèi)發(fā)生的力驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)大幅提高水凝膠韌性。通過將DN結(jié)構(gòu)與力敏感基團結(jié)合，克服了超過聚合物段最大端到端長度后網(wǎng)絡(luò)失效導(dǎo)致的水凝膠限制。與先前的材料相比，脆性網(wǎng)絡(luò)具有長度擴展、力敏感的化學(xué)基團或機械團，并集成到聚合物鏈中。該機械團在鏈斷裂之前通過環(huán)反轉(zhuǎn)打開，這使聚合物鏈段的端到端總長度增加了40%。雖然力驅(qū)動的鏈展開已被證明適用于單聚合物鏈，并且在生物材料中廣泛存在，但尚未有關(guān)于大塊合成聚合物的報道。這種方法的一個令人興奮的方面是打開了固有地發(fā)生在力最大的地方。局部鏈延伸延遲了失效，允許將更大的負載轉(zhuǎn)移到可拉伸網(wǎng)絡(luò)上，并在整個材料上重新分配負載。只有在需要避免斷裂時才會耗散能量，從而最大限度地減少有損響應(yīng)。實驗測試表明，在沒有力激活去折疊基團的情況下，所得水凝膠的抗撕裂強度是常規(guī) DN 水凝膠的兩倍。
在另一篇研究中，鎖志剛等人通過改變鏈與鏈的連接來增加纏結(jié)與交聯(lián)的比率，從而實現(xiàn)了堅韌的彈性體和水凝膠。他們確定了一種機制，在這種機制中，纏結(jié)增加了大量的剛度和強度，超過了共價交聯(lián)所提供的強度。然而，纏結(jié)不是交聯(lián)，因此施加的力會導(dǎo)致鏈滑動而不是斷裂。他們認為，這種方法導(dǎo)致更像織物而不是網(wǎng)狀的材料拓撲。當(dāng)聚合物鏈段中的一個鍵斷裂時，兩個交聯(lián)點之間的全鏈段長度所儲存的能量可在拉伸過程中消散。盡管鎖志剛等人的方法似乎與龔劍萍等人的方法大不相同，但它也會產(chǎn)生高韌性，在失效前允許拉伸是常規(guī)脆性水凝膠的三倍，并且比機械方法的損耗更小。此外，由于低交聯(lián)密度，增加的韌性與增加的潤滑層相結(jié)合，導(dǎo)致超低磨損。
兩項研究都提出了可以用不同聚合物化學(xué)物質(zhì)實現(xiàn)的基本概念，并結(jié)合其他最先進的技術(shù)來定制聚合物。例如，可逆鍵可以結(jié)合到纏結(jié)主導(dǎo)的材料中，以幫助恢復(fù)因交聯(lián)在大應(yīng)變下斷裂而損失的剛度。展開的機械團可以通過光刺激逆轉(zhuǎn)，甚至可以用作交聯(lián)起始位點。基于物理的模型可以極大地促進將不同的軟材料定制方法結(jié)合起來以實現(xiàn)目標機械性能的策略。這些模型還將能夠模擬特定應(yīng)用下的材料性能，并導(dǎo)致快速的材料和設(shè)備設(shè)計周期。調(diào)整機械性能可以在先進技術(shù)中實現(xiàn)軟彈性體。在分子水平上對材料的精細重組也將進一步加深我們對高分子物理學(xué)的理解。通過這樣做，不僅可以在新設(shè)備中設(shè)計和實施軟材料，而且還可以獲得對宏觀觀察到的材料行為背后的機制的深入了解。1. Toughening hydrogelsthrough force-triggered chemical reactions that lengthen polymer strands. Science2021.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg26892. Fracture, fatigue,and friction of polymers in which entanglements greatly outnumber cross-links.Science 2021.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg63203. Pathways to tough yetsoft materials. Science 2021.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6358
