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  近年來科研工作者在高強韌水凝膠開發方面取得了很大的成功。例如最近報道的物理水凝膠，不但具有高韌性和高強度，而且具有自修復能力。由于其優異的性能，這類水凝膠在組織工程、軟體機器人和傳感等領域具有廣闊的應用前景。然而，目前該領域大多數研究都集中在對新凝膠體系的開發，而缺乏對其結構和高強韌機理的研究。

  龔劍萍教授課題組在2013年報道了一類基于離子鍵相互作用的聚兩性電解質水凝膠（PA凝膠），其斷裂能可達1000~4000Jm^-2，且模量在0.01~8MPa之間、斷裂應變在150%~1500%之間連續可調。此外，這類凝膠具有近乎百分之百的自修復能力（Nat. Mater. 2013, 12 (10), 932–937）。

  最近，龔劍萍教授課題組發現，這類凝膠具有多尺度結構，其高強韌性來自于多尺度結構的協同能量耗散（Phys. Rev. Lett. 2018, 121 (18), 185501）。在單體尺度，正負離子形成離子鍵；在納米尺度，分子鏈段組成高模量和低模量區域；在微觀尺度，高模量和低模量區域組成雙連續網絡結構；在宏觀尺度，樣品結構均勻分布。在形變過程中，微觀雙網絡結構首先發生大的仿射形變，然后是非仿射形變。在仿射形變過程中，微觀雙網絡結構不發生破壞，但塌縮的分子鏈發生伸展，并伴隨著離子鍵破壞來耗散能量。仿射形變結束后，模量高的網絡結構開始發生破壞。在這個階段，模量低的網絡結構有兩個作用：一是傳遞應力；二是降低應力集中，防止微裂紋迅速擴展和樣品斷裂。再進一步增加拉伸，模量低的網絡結構發生破壞，并最終導致樣品的宏觀斷裂。這樣一個多尺度破壞的耦合過程導致了PA凝膠體系的多尺度能量耗散和高強韌性（圖1）。

圖1. PA凝膠體系在形變過程中的多尺度破壞過程。

  在上述的高強韌機理中，有兩個參數至關重要：高模量網絡和低模量網絡的相對強度，和離子鍵的絕對強度。前者關系到應力傳遞和應力集中減弱，后者關系到凝膠的能量耗散和粘彈性。為了研究這兩個參數對凝膠韌性的影響，龔劍萍教授課題組采用了一種滲透壓的方法（Macromolecules, 2019, accepted）。這種方法可以在不改變分子鏈網絡拓撲結構的前提下，調控兩個網絡的相對強度以及離子鍵的強度。在滲透壓作用下，凝膠會發生脫水和收縮。因此高分子濃度隨外界滲透壓的增加而增大，從而導致離子鍵的強度的增加。同時，由于模量低的網絡比模量高的網絡更容易脫水，所以兩個網絡的相對差別隨外界滲透壓的增加逐漸變小，并最終消失，即在結構上發生從不均勻到均勻的轉變。伴隨著結構的轉變，凝膠的拉伸性也從高度可拉伸變為脆性。在結構從不均勻到均勻的轉變點，凝膠具有最大的韌性（圖2）。這一最大韌性是離子鍵絕對強度和兩個網絡相對強度的協同結果。凝膠為雙網絡結構時，離子鍵強度相對較弱，意味著離子鍵斷裂時較少的能量被耗散。凝膠為均勻結構時，缺乏應力傳遞和應力集中減弱，因此凝膠韌性也較差。而在結構轉變點，離子鍵相對較強，可以耗散較多的能量。同時，模量低的網絡略微弱于模量高的網絡，仍然可以傳遞應力和減弱應力集中。所以凝膠在結構轉變點具有最大的韌性。

圖2. PA凝膠韌性與結構的關系。凝膠在不均勻到均勻轉變點具有最大的韌性。

參考文獻

1．Sun, T. L.; Kurokawa, T.; Kuroda, S.; Ihsan, A. Bin; Akasaki, T.; Sato, K.; Nakajima, T.; Gong, J. P.; Haque, M. A.; Nakajima, T.; Gong, J. P.; Haque, M. A. Physical Hydrogels Composed of Polyampholytes Demonstrate High Toughness and Viscoelasticity. Nat. Mater. 2013, 12 (10), 932–937.

2．Cui, K.; Sun, T. L.; Liang, X.; Nakajima, K.; Ye, Y. N.; Chen, L.; Kurokawa, T.; Gong, J. P. Multiscale Energy Dissipation Mechanism in Tough and Self-Healing Hydrogels. Phys. Rev. Lett. 2018, 121 (18), 185501.

3．Cui, K.; Ye, Y. N.; Sun, T. L.; Chen, L.; Li, X.; Kurokawa, T.; Nakajima, T.; Nonoyama, T.; Gong, J. P. E?ect of Structure Heterogeneity on Mechanical Performance of Physical Polyampholytes Hydrogels. Macromolecules. 2019, accepted.

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/nmat3713

https://www.researchgate.net/publication/328645842_Multiscale_Energy_Dissipation_Mechanism_in_Tough_and_Self-Healing_Hydrogels

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.9b01676