锁志刚院士《Science》：高强、高韧、抗疲劳的水凝胶！

2021-12-13 16:29:38 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

在凝胶和弹性体中，缠结对变形的作用已经被研究过，但它们对断裂、疲劳和摩擦的影响还不太清楚。在此，来自美国哈佛大学的锁志刚院士等研究者，合成了缠结比交联数量多得多的聚合物。相关论文以题为“Fracture, fatigue, and friction of polymers in which entanglements greatly outnumber cross-links”发表在Science上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg6320

弹性体，由交联的聚合物链组成。聚合物链因热运动而波动，并可被力拉伸。交联连接聚合物链，因此，弹性体恢复其形状时，力被消除。当弹性体吸收溶剂时，交联防止聚合物链溶解。膨胀的弹性体称为凝胶。稠密的交联，使弹性体和凝胶变硬，但使它们变脆。这种刚度-韧性冲突，在互穿聚合物网络中部分解决，其中一个网络在另一个网络中生长（即双网络聚合物）。例如，如果一个网络有预拉伸的短链，而另一个网络有可拉伸的长链，当受到小的拉伸时，网络不会断裂，而短链网络会使材料变硬。随着拉伸的增加，短链网络会在孤立点断裂，而长链网络传递应力，导致许多其他短链断裂。这种分布的剪切使材料变韧，但会引起明显的迟滞。由迟滞获得的韧性，在循环荷载作用下是无效的。

在这里，研究者合成了一种缠结比交联多得多的聚合物。研究者解决了刚度-韧性的冲突，方法是制造一种单网络聚合物，其中所有链都很长，交联的数量大大超过缠结（图1A）。缠结起到滑动链接的作用，使聚合物变硬。然而，与交联不同，缠结不会使聚合物变脆。当高度纠缠的聚合物被拉伸时，在链断裂之前，张力会沿着链传递，并通过纠缠传递到许多其他链上（图1B）。当链在单个共价键处断裂时，聚合物在许多链中耗散了弹性能，超过了长度（图1C）。与双网络聚合物不同，这种单网络聚合物具有很高的韧性，因为所有的链都很长。如果链在低摩擦情况下滑移，聚合物的迟滞性可以忽略不计。稀疏的交联阻止了聚合物链的解缠。这些聚合物具有很高的韧性、强度和抗疲劳性能。聚合物浸入水中后，膨胀至平衡状态，形成的水凝胶具有低滞后、低摩擦和高耐磨性。

图1 一种凝胶或弹性体，其中纠缠的数量远远超过交联。

图2 完全膨胀水凝胶的力学行为。

图3 摩擦和磨损。

图4 高度纠缠的弹性体。

高纠缠聚合物是理想的承重材料：它们解决了刚性-韧性的冲突，同时实现了高韧性和低迟滞。它们是强壮的，抗疲劳的，透明的。在膨胀时，摩擦系数低，耐磨性高。研究者采用两种材料系统，说明了高纠缠聚合物的行为。采用类似的方法，研究者还合成并测试了聚丙烯酸水凝胶。高纠缠聚合物的潜在应用包括：耐膨胀凝胶、耐疲劳胶粘剂、低摩擦涂层和透明离子导体等。（文：水生）

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。