Nature：“相当水”的材料，也可又强又韧(2)

水凝胶的机械性能与结构演化。图片来源：Nature

随后作者通过控制制备条件对比发现，在只具有低密度晶体结构域或者排列整齐的孔壁时水凝胶没有表现出显著增强的机械性能，而有纳米纤维网络形成时，强度增加了近两个数量级，韧性增加四个数量级。如果再引入各向异性的微观结构，则会进一步增加强度和韧性，只不过不太明显。这些结果证明，纳米纤维网络的存在对水凝胶机械性能的提升具有重要作用。作者基于扫描电子显微镜和小角度X射线散射发现该过程形成的纳米纤维是可拉伸的，并且在拉伸之后纤维排列会越来越整齐，这是同时实现高强度、韧性和延展性的关键。通过改变PVA的初始浓度能够调节凝胶的极限应力和极限应变。通过多次循环加卸载试验可以发现HA-PVA水凝胶形变具有可逆性和可重复性，只不过存在滞后，这说明形变过程中有牺牲键（主要是氢键），随着拉伸次数增加滞后并没有明显变化说明消耗能量的牺牲键大部分可逆。除此之外HA-PVA水凝胶还具有良好的疲劳抗力，对于HA-20PVA，其疲劳阈值为10. kJ m-2，是目前报道的最高值的八倍。在疲劳试验中进行30,000次循环也未观察到裂纹扩展或者重定向。在保证含水量高于70%时，通过本方法制备的水凝胶的韧性比肌腱和蜘蛛丝要更好。更重要的是，在将PVA换成明胶、海藻酸钠、聚吡咯时，也可以实现对相应水凝胶性能的提升，这些结果证明将定向冷冻和盐析结合制备高强韧水凝胶具有广泛用途。

HA-PVA水凝胶可调的机械性能和制备策略的通用性。图片来源：Nature

总结

贺曦敏教授团队提出利用定向冷冻和盐析相结合的方法处理水凝胶以得到具有高强度、高韧性以及耐疲劳性的水凝胶材料。该方法从分子工程和结构工程的角度对水凝胶进行调控，使水凝胶在从毫米到分子水平的多个长度尺度上具有多层次和各向异性结构，提高了水凝胶内部网络的复杂程度，同时提高结晶度和密度。以聚乙烯醇水凝胶为模型，所得水凝胶具有良好的强度、韧性和耐疲劳性，性能远超过已经报道的类似水凝胶。除此之外，这种方法对其他材质水凝胶依然适用，这为设计新型高性能水凝胶提供了基础。

Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out

Mutian Hua, Shuwang Wu, Yanfei Ma, Yusen Zhao, Zilin Chen, Imri Frenkel, Joseph Strzalka, Hua Zhou, Xinyuan Zhu & Ximin He

Nature,2021,590, 594–599, DOI: 10.1038/s-021-03212-z

参考资料：

1. UCLA Materials Scientists Show Way to Make Durable Artificial Tendons from Improved Hydrogels

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（本文由Sunshine供稿）

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0416/725.html