清華新聞網(wǎng)4月9日電 近日，清華大學(xué)化學(xué)系王朝課題組在水凝膠彈性力學(xué)方面取得新突破。研究通過調(diào)控聚電解質(zhì)的疏水相互作用與靜電相互作用的平衡，最終得到了具有串珠鏈構(gòu)象的水凝膠材料，實(shí)現(xiàn)了可逆雙軸面應(yīng)變高達(dá)10000%的超彈性水凝膠，并通過原子力顯微鏡（AFM）、冷凍電鏡（cryo-TEM）和原位小角X射線散射（in situ SAXS）等手段對(duì)水凝膠的新結(jié)構(gòu)與新機(jī)理進(jìn)行了深入探究。
過去的水凝膠與橡膠一直近似遵循自由連接鏈模型，材料的最大單軸彈性應(yīng)變?chǔ)薽ax與N的1/2次方成正比（N, 交聯(lián)點(diǎn)之間的鏈段數(shù)目）。由于材料不均勻的交聯(lián)和交聯(lián)點(diǎn)有限的N值，傳統(tǒng)水凝膠的最大單軸可逆形變通常要小于800%。此外，在雙軸變形下，聚合物鏈條會(huì)沿兩個(gè)方向伸展，共價(jià)交聯(lián)或非固定的滑環(huán)交聯(lián)都會(huì)嚴(yán)重限制材料的雙軸可拉伸性。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超大的可逆雙軸面應(yīng)變則面臨著更大的挑戰(zhàn)，目前水凝膠的可逆雙軸面應(yīng)變通常限制在2500%以下。
研究通過降低水含量調(diào)控聚電解質(zhì)烷基鏈之間的疏水相互作用與帶電基團(tuán)之間的靜電相互作用的平衡，最終得到了具有串珠鏈構(gòu)象的水凝膠。串珠鏈中小的帶電珠子是由長而窄的弦連接起來。研究通過AFM，cryo-TEM和in-situ SAXS第一次觀察并證實(shí)了水凝膠網(wǎng)絡(luò)中含有大量亞納米珠子的串珠鏈的存在。這種串珠構(gòu)象的λmax接近與N的2/3次方成正比，相比自由連接鏈模型有可能實(shí)現(xiàn)更大的彈性形變。最終得到可逆單軸應(yīng)變高達(dá)1500%，可逆雙軸面應(yīng)變高達(dá)10000%的水凝膠。這種水凝膠制成的氣動(dòng)裝置在充入相對(duì)于原始空腔體積1000倍的空氣后，在放氣后可以在幾秒內(nèi)快速回復(fù)到初始狀態(tài)。
該研究使用上海同步輻射BL16B光源原位觀測了大量亞納米珠子的可逆展開與重新形成。隨著拉伸倍數(shù)的增加，大量鏈段被從珠子中拉出從而增加珠子之間的間距, 低q區(qū)域出現(xiàn)新峰與新的散射環(huán)。當(dāng)材料從1500%的單軸應(yīng)變下釋放，回彈后的水凝膠的SAXS數(shù)據(jù)與未變形的水凝膠幾乎保持一致，證明了這種串珠構(gòu)象可以可逆地釋放與回縮大量的鏈段數(shù)目。
圖1.含有串珠結(jié)構(gòu)的水凝膠。（A）串珠鏈（PNC）模型，蜷曲鏈（CC）和自由連接鏈（FJC）模型。a是一個(gè)小球的直徑，N是每個(gè)鏈模型中小球的數(shù)量。（B）含有PNC的水凝膠網(wǎng)絡(luò)。（C）沉積在云母片上的聚電解質(zhì)的AFM圖像。（D）AETC-25水凝膠的冷凍電鏡圖像。（E）AETC-25水凝膠的2D SAXS圖像。（F）AETC-25水凝膠的1D SAXS曲線
圖2.可逆雙軸面應(yīng)變高達(dá)10000%的超彈性水凝膠
圖3. 通過原位SAXS表征串珠結(jié)構(gòu)的高度可逆性
相關(guān)研究成果以“具有超大可逆雙軸面應(yīng)變的超彈性水凝膠”（A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain）為題，于3月28日在線發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志。
清華大學(xué)化學(xué)系王朝副教授為該論文的通訊作者，清華大學(xué)化學(xué)系2019級(jí)博士生陳莉莉?yàn)樵撜撐牡牡谝蛔髡摺Ｑ芯康玫絿易匀豢茖W(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3632
供稿：化學(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
