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  水凝膠同時(shí)具備高強(qiáng)韌性和高透明度，對(duì)于水凝膠在可穿戴設(shè)備和水下保護(hù)等實(shí)際應(yīng)用方面至關(guān)重要。迄今為止，研究者們制備高強(qiáng)高韌水凝膠主要是通過將有效的能量耗散機(jī)制引入水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，如引入靜電相互作用、氫鍵作用，形成結(jié)晶域，鹽析，機(jī)械拉伸，構(gòu)建雙網(wǎng)絡(luò)和相分離等方法。通過這些策略制備的水凝膠的力學(xué)性能得到了極大改善，但是水凝膠如何在具有高強(qiáng)韌性的同時(shí)具備高透明度仍然是一個(gè)急需解決的難題。目前報(bào)道的許多水凝膠具有高強(qiáng)韌性，得益于它們均勻且緊密相連的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此外水凝膠網(wǎng)絡(luò)均勻性提高有利于增強(qiáng)透明度。

  基于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)江雷院士/趙創(chuàng)奇研究員團(tuán)隊(duì)提出構(gòu)建一種具有均勻且致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠，該水凝膠具有高強(qiáng)高韌和高水下透明度的特性，可附著在水下光學(xué)器件表面，起到防霧、防油、耐磨的作用。

  研究團(tuán)隊(duì)通過“超鋪展——退火——原位聚合”多種策略相結(jié)合，依次引入三重聚合物網(wǎng)絡(luò)，制備出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均勻致密且含有豐富氫鍵的水凝膠（圖1）。該水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能，通過改變聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)的含量，調(diào)控體系的鏈纏結(jié)程度，水凝膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性可分別達(dá)到44.2 ± 1.0 MPa和153.0 ± 3.6 MJ m^-3（圖2）。此外，鏈纏結(jié)的引入，有利于水凝膠能量耗散能力的提高。由于三重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均勻，水凝膠具有90%的水下高透明度；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致密以及大量氫鍵的存在，也賦予水凝膠高水下穩(wěn)定性，在純水環(huán)境中拉伸強(qiáng)度可保持35.5 ± 0.8 MPa。

圖1. PVA/CA/PAAm水凝膠的制備

圖2. PVA/CA/PAAm水凝膠的力學(xué)性能

  從微觀角度分析水凝膠具有高強(qiáng)韌性的內(nèi)在機(jī)理（圖3）。SEM圖像表明，水凝膠具有均勻且致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而賦予水凝膠優(yōu)異的力學(xué)性能。對(duì)不同拉伸程度的水凝膠進(jìn)行SAXS測試，取向因子(f)隨著拉伸程度的增大而增大，表明拉伸過程中聚合物鏈段的取向度增大，有利于提高水凝膠的拉伸強(qiáng)度。圖3f展示了拉伸過程中水凝膠網(wǎng)絡(luò)的變化：首先對(duì)水凝膠施加較小的拉力，聚合物鏈滑移并將力傳遞給其他鏈段，有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)聚合物鏈段重新定向排列，水凝膠拉伸應(yīng)力和強(qiáng)度得到增強(qiáng)；接著增大拉力，離子交聯(lián)的海藻酸鹽網(wǎng)絡(luò)被破壞，聚乙烯醇結(jié)晶域解纏結(jié)，有效耗散聚合物網(wǎng)絡(luò)中的能量，賦予水凝膠高韌性，同時(shí)拉伸誘導(dǎo)聚合物鏈段取向排列并形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了聚合物鏈之間的氫鍵相互作用，提高了水凝膠的強(qiáng)度；最后繼續(xù)增大拉力，聚合物鏈段斷裂，水凝膠被破壞。

圖3. PVA/CA/PAAm水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)表征

  此外，將水凝膠附著在玻璃板上，水凝膠展現(xiàn)出有效的防霧、防污、耐磨性（圖4），證明其實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖4. 水凝膠的防霧、防污和耐磨性

  這一工作以“Superstrong and Transparent Hydrogels with Homogeneous Multiple Networks”為題發(fā)表在《Macromolecules》上。文章第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生尹樹杏，通訊作者為趙創(chuàng)奇研究員。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c03202