今日重磅《Nature》：强度、韧性、疲劳抗力均优异！

2021-02-26 14:09:42 作者：本网整理来源：材料科学与工程分享至：

编辑推荐：本文使用冷冻辅助盐析处理，获得了多长度尺度的分层水凝胶结构，具有高强度，韧性，拉伸性和疲劳抗力，性能优于其他水凝胶，甚至比天然肌腱都好！原本较弱的水凝胶以后或可以应用于医疗、机器人、能源和增材制造领域。

天然承重材料，如肌腱，其含水量约为70%，得益于其跨多个长度尺度各向异性结构的分层组装，虽然每年使用超过100万次但仍是强大且坚韧的。通过静电纺丝、挤压、复合、冷冻铸造、自组装和机械拉伸等方法，合成水凝胶的机械性能得到了极大改善。然而，与肌腱相比，许多同样含水量高的水凝胶，并没有表现出高强度、韧性或抗疲劳性。

近日，来自美国加州大学洛杉矶分校的Ximin He等研究者，提出了一种策略，使用冷冻辅助盐析处理，获得了一个多长度尺度的分层水凝胶结构。相关论文以题为“Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out”于今天（2月25日）发表在顶级期刊Nature上。更多精彩视频请抖音搜索：材料科学网。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03212-z

木材既轻又坚固；珍珠是坚硬而有弹性的；肌肉和肌腱既柔软又坚韧。这些天然材料，表现出一种通常矛盾的力学性能的组合，这归因于它们跨越多个长度尺度的层次结构。与天然承载材料相比，传统的水凝胶具有松散的交联、低固含量和均匀的结构，在现实世界的应用中相对脆弱，往往需要长使用周期、高负载或耐冲击、大变形。

近来，通过冷冻铸造、机械拉伸和复合，在水凝胶中创造了各向异性结构的结构工程方法。例如，定向冻结，或冰模板，由于其普遍适用于各种聚合物而被广泛使用。然而，微对准冰模板水凝胶的力学性能，与分子工程方法制备的均质韧性水凝胶相当，甚至更低。机械拉伸，也可用于制造各向异性的微/纳米结构。研究者还探索了，向水凝胶中添加外来微/纳米级纤维增强剂的复合方法。经过机械训练的水凝胶和水凝胶复合材料，与均质韧性水凝胶相比，具有相当大的强度和断裂韧性，但也有有限的延展性或含水量。这些结构工程方法的重点是优化现有水凝胶的微/纳米结构，然而，要同时创造出具有更复杂的层次结构、更宽长度尺度的更强、坚韧、可拉伸和抗疲劳的水凝胶仍然具有挑战性。

最近，一种由模量不同的纤维和相似成分的基体组成的各向异性复合材料，显示了在保持拉伸性的同时，提高强度、断裂韧性和疲劳抗力的有效性。因此，形成一种分层各向异性的单组分水凝胶，该水凝胶含有相同成分的强而可拉伸纤维，将有希望制造同时具有高强度、韧性、延展性和疲劳阈值的水凝胶。

聚合物聚集态的改变，可以通过添加特定的离子来实现；这被称为霍夫迈斯特效应，不同的离子有不同的能力沉淀聚合物。在特定离子的帮助下，相同的聚合物组成可以形成模量对比结构。同时，定向冻结使水凝胶在更大尺度（微米毫米）上具有各向异性结构，同时促进分子浓度。

在此，研究者使用分子工程和结构工程相结合的方法，来制造水凝胶。通过结合定向冷冻铸造和随后的盐析处理，协同创建不同长度尺度的水凝胶结构，从毫米尺度到分子水平（图1），研究者构建了具有等级和各向异性结构的强、韧、可拉伸和抗疲劳的水凝胶（表示为HA-PVA/明胶/海藻酸盐水凝胶）。所制备的聚乙烯醇水凝胶具有高度的各向异性，包括微米尺度的蜂窝状孔壁，这些孔壁又包括相互连接的纳米纤维网。这些水凝胶的含水量为70% - 95%，性能优于其他坚韧的水凝胶，甚至是天然肌腱；例如，极限应力为23.5±2.7百万帕斯卡，应变水平为2900±450%，韧性为210±13百万焦耳每立方米，断裂能量为170±8千焦耳每平方米，疲劳阈值为10.5±1.3千焦耳每平方米。