王朝课题组开发出具有超大可逆双轴面应变的超弹性水凝胶

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近日，清华大学化学系王朝课题组在水凝胶弹性力学方面取得新突破。研究通过调控聚电解质的疏水相互作用与静电相互作用的平衡，最终得到了具有串珠链构象的水凝胶材料，实现了可逆双轴面应变高达10000%的超弹性水凝胶，并通过原子力显微镜（AFM）、冷冻电镜（cryo-TEM）和原位小角X射线散射（in situ SAXS）等手段对水凝胶的新结构与新机理进行了深入探究。
过去的水凝胶与橡胶一直近似遵循自由连接链模型，材料的最大单轴弹性应变λmax与N的1/2次方成正比（N, 交联点之间的链段数目）。由于材料不均匀的交联和交联点有限的N值，传统水凝胶的最大单轴可逆形变通常要小于800%。此外，在双轴变形下，聚合物链条会沿两个方向伸展，共价交联或非固定的滑环交联都会严重限制材料的双轴可拉伸性。进一步实现超大的可逆双轴面应变则面临着更大的挑战，目前水凝胶的可逆双轴面应变通常限制在2500%以下。
        研究通过降低水含量调控聚电解质烷基链之间的疏水相互作用与带电基团之间的静电相互作用的平衡，最终得到了具有串珠链构象的水凝胶。串珠链中小的带电珠子是由长而窄的弦连接起来。研究通过AFM，cryo-TEM和in-situ SAXS第一次观察并证实了水凝胶网络中含有大量亚纳米珠子的串珠链的存在。这种串珠构象的λmax接近与N的2/3次方成正比，相比自由连接链模型有可能实现更大的弹性形变。最终得到可逆单轴应变高达1500%，可逆双轴面应变高达10000%的水凝胶。这种水凝胶制成的气动装置在充入相对于原始空腔体积1000倍的空气后，在放气后可以在几秒内快速回复到初始状态。
        该研究使用上海同步辐射BL16B光源原位观测了大量亚纳米珠子的可逆展开与重新形成。随着拉伸倍数的增加，大量链段被从珠子中拉出从而增加珠子之间的间距, 低q区域出现新峰与新的散射环。当材料从1500%的单轴应变下释放，回弹后的水凝胶的SAXS数据与未变形的水凝胶几乎保持一致，证明了这种串珠构象可以可逆地释放与回缩大量的链段数目。

图1.含有串珠结构的水凝胶。（A）串珠链（PNC）模型，蜷曲链（CC）和自由连接链（FJC）模型。a是一个小球的直径，N是每个链模型中小球的数量。（B）含有PNC的水凝胶网络。（C）沉积在云母片上的聚电解质的AFM图像。（D）AETC-25水凝胶的冷冻电镜图像。（E）AETC-25水凝胶的2D SAXS图像。（F）AETC-25水凝胶的1D SAXS曲线

         相关研究成果以“具有超大可逆双轴面应变的超弹性水凝胶”（A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain）为题，于3月28日在线发表于《科学》（Science）杂志。
        清华大学化学系王朝副教授为该论文的通讯作者，清华大学化学系2019级博士生陈莉莉为该论文的第一作者。研究得到国家自然科学基金的支持。
        论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3632
        文章来源：清华大学
        王朝，博士，清华大学副教授。于2007年本科毕业于清华大学化工系，同年进入清华大学化工系张希院士研究组攻读博士学位。博士毕业时，他拿到了清华大学毕业生的最高荣誉，包括清华大学特等奖学金、清华大学优秀毕业生、清华大学学术新秀、全国优秀百篇博士论文等。2011年，他进入美国斯坦福大学化工系从事博士后研究，并于 2014 年获得美国材料学会博士后奖。博后工作结束后，王朝博士于 2015 年加入美国加州大学河滨分校化学系担任助理教授。2018年，王朝博士加入清华大学化学系，任副教授职位。王朝博士的主要研究方向是力学自适应性光电高分子。至今以一作或是通讯作者已在 Nature Chemistry，Nature Nanotechnology，Nature Electronics，Angewandte Chemie， Advanced Materials，Chemistry of Materials，Progress in Polymer Science，ACS Energy Letters，Accounts of Chemical Research 等杂志发表论文 25 篇。