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  凝膠是由溶劑溶脹的三維聚合物網絡。溶劑的存在使凝膠區別于彈性體和塑料，兼具固體（如承載能力）與液體（如物質傳輸）的特性，從而廣泛應用于組織工程、生物粘合劑、能源存儲、可拉伸離電學及柔性人機接口等領域。在實際應用中，凝膠往往需要同時具備高彈性（通常表現為低遲滯）與強粘接性能，以分別應對循環載荷下的疲勞問題及界面脫粘的風險。然而，材料同時實現高彈性與強粘接是具有挑戰性。

  近期，南方科技大學力學與航空航天工程系楊燦輝副教授團隊提出一種通用設計準則，用于合成兼具高彈性與強粘接的凝膠材料（圖1A）。當凝膠含長懸掛鏈和良溶劑，“相似相溶潤滑”效應使溶劑分子有效分離聚合物鏈，降低鏈間摩擦。充足的溶劑使懸掛鏈發生解纏結，從而呈現高彈性（圖1A左）。同時解纏結的長懸掛鏈能粘接于各類基底，實現有效的載荷傳遞與能量耗散，形成強粘接性能（圖1A右）。

  該工作以“Synergizing network topology and solvent compatibility for gels with hyperelasticity and omniadhesion”為題發表在《Science Advances》上。文章第一作者是南方科技大學力航系薛琪琦研究助理教授（現為南方科技大學海洋高等研究院研究助理教授），合作者為南方科技大學何新宇（現為華中科技大學博士生），西安交通大學雷金成副教授和南方科技大學洪偉教授。

  實現該性能的關鍵在于高分子網絡中富含長懸掛鏈和充足的良溶劑。然而，為給定聚合物網絡匹配良溶劑常因化學結構差異而困難，且相容性深刻影響凝膠力學性能。本文采用簡便的一步法合成策略，通過控制聚合動力學，制備出含長懸掛鏈且溶劑與高分子網絡具有相同化學性質的凝膠（圖1B），稱為“均質凝膠”。在單體溶液中，未固化時儲能模量（G''''）低于損耗模量（G"）。固化過程中，單體反應形成高分子鏈，進而交聯成網絡。G''''與G"隨時間增長，在凝膠點相交，標志初始網絡形成；最終在完全固化時達到平臺，轉化為高纏結的粘彈性彈性體或塑料。中間狀態為部分固化，部分單體形成網絡，剩余部分作為溶劑保留。其中存在一個時間區間t_HO，其間懸掛鏈較長卻無纏結，此時凝膠同時具備高彈性與強粘接。若固化程度低于t_HO，凝膠交聯稀疏，力學性能弱；高于t_HO，則出現懸掛鏈纏結，凝膠呈現粘彈性。

圖1. 高彈性和強粘接凝膠的設計原理

  本文以具有鏈間靜電相互作用的離子凝膠體系為例進行具體說明。合成采用以離子液體單體DT（2-(丙烯酰氧基)-N,N,N-三甲基乙銨雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺，粘度0.19±0.02 Pa·s），共價交聯劑HDDA及光引發劑1173組成的前驅體體系（圖2A）。通過監測不同交聯劑含量下的固化流變曲線，確定凝膠點在~764 s，并在~866 s處觀察到損耗因子達到極小值（圖2B）。高彈性與強粘接的均質凝膠的合成窗口（t_HO）位于該極小值附近（約860–920 s），其合理性經后續的滯后與粘附測試驗證。該均質凝膠的溶劑含量受交聯劑用量影響較小，但隨固化時間延長而降低，相應的聚合物含量則隨之上升，并在~1260 s后達到平衡（圖2C）。本工作中，高性能PDT均質凝膠的合成時間設定為900 s，此時溶劑含量為38 wt%。

  對高彈性與強粘接的PDT均質凝膠的力學性能進行表征，表明隨交聯劑含量增加，材料模量提高而拉伸率下降（圖2D）。在循環拉伸測試中，PDT均質凝膠表現出可忽略的遲滯，而對應的完全固化彈性體則呈現顯著的遲滯（圖2E）。此外，在跨越兩個數量級的拉伸速率下，該凝膠均能保持低遲滯（圖2F）。通過將多種軟材料的遲滯與拉伸性能進行對比（圖2G），發現PDT均質凝膠在寬應變范圍內的滯后率始終低于10%，性能不僅遠優于PDT彈性體，也與廣泛應用的聚丙烯酰胺水凝膠、聚二甲基硅氧烷彈性體及其他近期報道的高彈性凝膠相當。在粘附性能方面，PDT均質凝膠對陶瓷、玻璃、金屬、彈性體、塑料及木材等多種基底均展現出強而普適的粘接性能。90°剝離測試測得其在各類基底上的粘接能均達到約100 J/m2量級，顯著高于PDT彈性體。因此，PDT均質凝膠成功實現了高粘附能與低遲滯這兩種通常難以兼得的性能（圖2I）。

圖2. 合成和力學表征高彈性和強粘接PDT均質凝膠

  本文控制固化時間分別得到三種不同網絡（FC網絡，PC網絡和PC_HO網絡）。為探究溶劑對高彈性的影響，本文將PC_HO網絡在單體溶液中溶脹至不同溶劑含量。凝膠的遲滯隨溶劑含量增加呈單調下降趨勢，當溶劑含量達到30 wt%后遲滯穩定低于10%（圖3A）。同時，玻璃化轉變溫度呈現相似變化趨勢，并在溶劑含量為30 wt%處出現轉折，該轉折源于懸垂鏈的解纏結。本文通過剪切模量μ與聚合物體積分數φ_p的關系驗證該機制（圖3B）。在聚合物質量分數70 wt%處出現明顯轉折，當聚合物體積分數小于71%時，兩者之間的冪律指數為0.56，與仿射溶脹模型預測吻合，表明此時懸垂鏈的纏結作用不顯著；當聚合物體積分數大于71%時，因懸垂鏈纏結存在，冪律指數急劇升至4.71。這表明高彈性源于充足的良溶劑使懸垂鏈解纏結。微觀流變學測試進一步支持該結論。當溶劑含量超過30 wt%時，儲能模量在0.1–10 rad/s頻率范圍內基本不變（波動小于20%），表現出頻率無關性（圖3C）；損耗模量遵循冪律頻率依賴關系G''''''''～ω^α，其中指數α與網絡尺寸及懸垂鏈有效長度相關，并隨溶劑含量增加而升高，在溶劑含量超過30 wt%后趨于穩定。

  強粘接性能源于凝膠表面存在的長懸掛鏈。這些長懸掛鏈從網絡中充分解纏后，可吸附于各類基底，形成強相互作用從而產生強粘接。本文將三種聚合物網絡溶脹至溶劑含量為 30 wt%，經不同時間弛豫后測量其與亞克力板之間的粘接能。所有體系的粘附能均隨弛豫時間延長而增加（圖3E），其中PC_HO網絡因具有最長的懸掛鏈而表現出最高的粘接能。從微觀層面，本文采用Curro?Pincus方法研究了PC_HO網絡在不同弛豫時間下損耗模量隨頻率的變化。指數α隨弛豫時間增加而增大，表明懸掛鏈逐漸解纏結（圖 3F）。解纏結的長懸掛鏈是實現強粘附的關鍵。所以，當良溶劑含量超過臨界值時，具有長懸掛鏈的網絡可同時實現低遲滯與高粘接（圖3G）。

圖3. 高彈性和強粘接的機理

  高彈性和強粘接凝膠的合成原理具有通用性。本文進一步通過聚陰離子與中性聚合物體系加以驗證。對于聚陰離子體系，選用單體為1-乙基-3-甲基咪唑(3-磺丙基)丙烯酸酯（ES），凝膠點在~56 s，t_HO在59至61 s之間（圖4A）。高彈性和強粘接的PES均質凝膠的合成時間設定為~60 s，此時溶劑含量約40 wt%。PES均質凝膠表現出可忽略的遲滯，而相應的PES彈性體則呈現明顯遲滯（圖4B）。與PES彈性體相比，PES均質凝膠在各基底上的粘接能均顯著提升（圖4C）。對于中性聚合物體系，選用單體為甲基丙烯酸3-(三甲氧基硅基)丙酯（TMSPMA），凝膠點在~977秒，t_HO在2000至2645 s之間（圖4D）。高彈性和強粘接的PTMSPMA均質凝膠的合成時間為~2400 s，溶劑含量約28 wt%。同樣，與對應彈性體相比，PTMSPMA均質凝膠表現出更低的滯后性和更高的粘接性能（圖4E、4F）。所以，通過在聚陰離子與中性聚合物體系中成功復現高彈性和強粘接性能，進一步證實了該設計原理的普適性。

圖4. 其他高彈性和強粘接均質凝膠

  文章鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aec7718