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UCLA 賀曦敏教授團隊 Adv. Mater.：從“鏈段運動”入手 - 一種刷新各向同性紀錄的超強韌PVA水凝膠

2026-02-26 來源：高分子科技

質(zhì)子化調(diào)控鏈段運動性的設(shè)計策略，通過酸化、凍融與鹽析協(xié)同作用，抑制氫鍵過早形成并構(gòu)筑均一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成功制備兼具高強度、高延展性與超高韌性的各向同性PVA水凝膠。該材料拉伸強度達29.5 MPa、伸長率2683%、韌性424 MJ m^-3，為高性能軟材料與軟體機器人應(yīng)用提供新思路。

水凝膠因其高含水、柔軟與生物相容性，在組織工程、可拉伸生物電子與軟體機器人等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而，同時實現(xiàn)各向同性的高強度、高延展與高韌性始終極具挑戰(zhàn)：許多強韌化方案往往依賴機械訓(xùn)練、定向凍結(jié)或溶劑交換等過程，容易引入宏觀/微觀各向異性，或只能提升其中一兩項指標而難以兼顧。當水凝膠承受彎曲、扭轉(zhuǎn)與拉伸等多向耦合載荷時，這種結(jié)構(gòu)各向異性容易誘發(fā)鏈間脫粘與裂紋擴展，從而導(dǎo)致早期失效。因此，如何在保持力學(xué)各向同性的前提下，同時實現(xiàn)高拉伸強度、高斷裂伸長率與高韌性，成為當前水凝膠研究領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)問題。

針對這一挑戰(zhàn)，加州大學(xué)洛杉磯分校賀曦敏教授團隊與賓夕法尼亞州立大學(xué)Adri van Duin教授合作，提出了一種基于“質(zhì)子化調(diào)控鏈段運動性”的創(chuàng)新策略。

2026年2月18日，該研究以“Harnessing Chain Mobility via Protonation for Tough and Isotropic Hydrogel”為題發(fā)表于《Advanced Materials》。

在傳統(tǒng)PVA水凝膠形成過程中，聚合物鏈間的氫鍵往往在早期迅速建立，這雖然能夠穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，卻同時限制了鏈段的重新排布空間，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部存在不均勻區(qū)域。研究團隊提出，通過酸處理對PVA鏈段進行可逆質(zhì)子化，可以暫時削弱氫鍵作用，讓鏈條在凝膠化初期擁有更高的自由度，先讓鏈段充分重排，形成均一網(wǎng)絡(luò)，再通過后續(xù)處理將結(jié)構(gòu)固定下來。基于這一理念，團隊發(fā)展了“酸化—凍融—鹽析”的加工路徑。其中，酸化處理調(diào)控鏈段質(zhì)子化狀態(tài)，抑制過早氫鍵形成；凍融循環(huán)誘導(dǎo)形成基礎(chǔ)凝膠網(wǎng)絡(luò)；鹽析處理強化鏈間相互作用并形成穩(wěn)定的結(jié)晶物理交聯(lián)。這一多階段過程使得分子取向與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠逐步優(yōu)化，從分子尺度到宏觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)協(xié)同強化。

圖1 設(shè)計理念與制備流程。

該方法無需引入額外的取向訓(xùn)練或復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計，即可構(gòu)建兼具高強度與高韌性的各向同性水凝膠體系。得益于這一多階段調(diào)控策略，所制備的PVA水凝膠展現(xiàn)出卓越的綜合力學(xué)性能：其拉伸強度達到29.5 MPa，斷裂伸長率高達2683%，韌性達到424 MJ m^-3，不僅刷新了各向同性水凝膠的韌性紀錄，甚至在部分指標上超越了多數(shù)各向異性水凝膠在強化方向上的表現(xiàn)。除了力學(xué)性能的突破，這一策略還具有明顯的通用潛力，可拓展至明膠等含可質(zhì)子化官能團聚合物。研究團隊認為，這類高強韌水凝膠有望在軟體機器人結(jié)構(gòu)層、可穿戴電子基底以及組織工程支架等方向發(fā)揮重要作用。