特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
研究背景
水凝膠是一種高含水量的聚合物網絡，因其獨特的物理化學性質而被廣泛應用于生物醫學、柔性電子和軟機器人等領域。然而，傳統水凝膠由于交聯結構的不均勻和限制了鏈段移動的交聯點，通常具有較低的彈性范圍和有限的自愈能力，這限制了其在要求極高機械性能場景下的應用。為此，清華大學王朝等人開展了深入研究。他們成功開發了一種新型的超彈性水凝膠，該水凝膠通過引入可逆的珍珠項鏈結構來大幅增強材料的彈性和自愈能力。這些珍珠項鏈結構的"珠子"是通過微觀弦相連的亞納米微珠，能在應用機械應力時展開，釋放更多的鏈段，而在卸載后能迅速恢復原狀。相關成果以題為“A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain”發表在Science上。本研究解決了傳統水凝膠在高彈性和自愈能力方面的局限性問題，通過創新的珍珠項鏈結構設計，實現了超過10000%的面應變后的快速恢復能力，以及對輕微機械損傷（如針刺和割傷）的快速自愈。這一進步不僅為水凝膠材料的設計與應用提供了新的思路，也為高性能材料在先進制造、生物醫療和智能裝置等領域的應用打開了新的大門。
研究內容
圖1描述了關于珍珠項鏈結構水凝膠的結構特征和性能驗證的實驗結果。為了證明水凝膠中存在珍珠項鏈結構，研究者進行了多項實驗。首先，他們使用原子力顯微鏡（AFM）觀察了在水蒸發后沉積在云母片上的單個PAETC鏈的構象。圖1C顯示，聚陽離子呈現出珍珠項鏈結構，而不是在缺水條件下觀察到的卷曲構象。其次，他們進行了低溫透射電子顯微鏡（cryo-TEM）測試，結果顯示了AETC-25水凝膠中密集包裝的PNC結構，珠子尺寸主要小于2nm（圖1D）。通過二維小角X射線散射（2D SAXS）進一步證實了PNC結構的存在，圖1E顯示了一個圓形散射環，表明了各向同性的網絡結構。最后，從3到5.5 nm^-1的方位積分1D SAXS輪廓顯示了一個寬峰，對應于相鄰珠子之間的距離，這表明存在大量亞納米級珠子。這些實驗結果驗證了水凝膠中存在珍珠項鏈結構，并且揭示了該結構的特征。
圖2展示了珍珠項鏈結構的高度可逆性，通過原位小角X射線散射（SAXS）進行了實驗驗證。在水凝膠受到不同程度的應變時，我們觀察到了新的圓形散射環和新的峰的出現，這表明珠子之間的平均距離隨著PNC結構的展開而增加。具體來說，在未形變狀態下，只觀察到一個圓形散射環和一個寬峰，對應于相鄰亞納米級珠子的初始距離。隨著水凝膠的拉伸，新的散射環和新的峰在低q區域出現，表示更多的聚合物鏈從珠子中伸展出來，導致珠子之間的距離擴大。SAXS峰的信息與理論值相符合，從而驗證了實驗結果的準確性。在釋放水凝膠的應變時，所有新的散射環和新的峰都消失了，表明PNC結構具有高度的可逆性。這些實驗結果揭示了珍珠項鏈結構在大幅度應變下的行為，有助于深入了解水凝膠的形變機制，為設計具有高度可逆性和超彈性的新型材料提供了重要參考。
圖3展示了AETC-25水凝膠的超彈性特性和應用潛力。研究者通過一系列實驗測試了該水凝膠的性能。首先，他們觀察了AETC-25水凝膠在無化學交聯劑的情況下，具有高達3000 ± 350%的單軸拉伸性和超大的雙軸彈性（圖3A和圖S7）。這些特性歸因于水分子潤滑的可逆PNC結構和適當的鏈間物理糾纏作用。通過核磁共振（NMR）、靜態光散射（SLS）和差示掃描量熱法（DSC）等實驗驗證了AETC-25水凝膠的化學結構和性質。實驗結果顯示，該水凝膠的單體轉化率約為92%，重均分子量估計為3.895 × 10^6 g mol^-1，玻璃化轉變溫度（Tg）為-34.2°C。流變學測試表明，在橡膠平臺區域，AETC-25水凝膠表現出了出色的彈性，具有廣泛的頻率范圍。此外，該水凝膠表現出了極佳的可逆性和抗大變形性，在1500%的單軸應變下，可實現98.9%的可逆性，并在1000個周期的壓縮后保持壓縮曲線的幾乎重合。通過超彈性水凝膠的性能評估，研究者展示了其在多個領域的廣泛應用潛力，包括柔性機器人、生物醫學等。這些實驗結果為超彈性水凝膠的設計和應用提供了重要的理論和實踐基礎。
圖4展示了AETC-25水凝膠在多個方面的優越性能，特別是在抗損傷、自愈和自感應方面的應用潛力。首先，在圖4A中，展示了AETC-25水凝膠在遭受切割和穿刺后的快速愈合能力，即使在水凝膠氣動裝置被刺穿后，幾秒鐘后也能重新充氣而無泄漏。此外，在圖4B中，呈現了AETC-25水凝膠在環境條件下的穩定性，即在室溫下存放一個月后仍保持其高拉伸性和超彈性。進一步地，在圖4C中，展示了水凝膠氣球承受重壓后的快速恢復能力，即使受到50公斤人體重的沖擊也能立即恢復原狀。在圖4D中，通過切割水凝膠并進行簡短的愈合過程后，仍保持著其離子電導率。這些特性使AETC-25水凝膠成為了一種多功能的材料，在軟電子和軟機器人等領域中具有廣泛的應用前景。具體而言，其抗損傷、自愈和自感應能力為氣動夾具等應用提供了重要保障，同時穩定的性能和電導率使其在實際應用中更加可靠。
圖4：超彈性、輕微損傷-不敏感和快速愈合的氣動夾具。
總結展望
本研究通過引入可逆的珍珠項鏈結構，成功開發了一種超彈性水凝膠，展現了在軟物質設計中創新的路徑。該水凝膠不僅具有超大的可逆雙向應變，還表現出快速恢復和快速愈合的特性，以及潛在的自感應能力。這種創新性設計為軟體材料領域帶來了新的可能性，為下一代軟氣動機器人以及其他需要超彈性、快速愈合和自感應能力的應用提供了重要的技術基礎。通過深入理解和利用珍珠項鏈結構的優勢，未來可以進一步開發出更多具有多功能性和優異性能的軟材料，推動軟體機器人、柔性電子和生物醫學等領域的發展，為解決復雜工程和醫療挑戰提供新的解決方案。這一創新性研究為材料科學領域注入了新的動力，并為開發更智能、更適應環境的軟體材料打下了堅實的基礎。 Lili Chen, Zhekai Jin, Wenwen Feng, Lin Sun, Hao Xu, Chao Wang*, A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain, Science. (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3632
