在材料科学的广阔天地里，水凝胶以其独特的湿软特性和广泛的应用潜力，在仿生润滑、触觉感知、生物传感和柔性电子等领域备受瞩目。然而，传统水凝胶的性能调控往往依赖于复杂的分子设计和材料配方，这在一定程度上限制了其应用范围。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料重点实验室在水凝胶力学性能调控方面取得了重要进展，成功发展了一种图案化水凝胶的制备方法，实现了水凝胶多属性、宽范围的力学性能调控，为水凝胶材料的应用潜力挖掘提供了新方案。相关论文发表于《先进功能材料》。
研究团队受自然界中广泛存在的图案化异质结构如昆虫翅膀和植物叶脉等的启发，独辟蹊径发展出了一种全新的水凝胶制备策略。他们以光固化聚（N-丙烯酰甘氨酰胺）水凝胶作为软基质，通过一系列精细的操作步骤，包括浸泡N-丙烯酰基氨基脲前驱体溶液、选区曝光构建图案化硬骨架，以及后续的水平衡过程中相转化诱导氢键重构，最终实现了软基质和硬骨架的无缝互锁，制备出了具有局部互穿网络的图案化硬骨架强化水凝胶。
据悉，该制备方法的创新之处在于其图案化设计理念的引入。研究团队通过精确控制图案的形状、参数以及图案化比例等，成功实现了对水凝胶机械性能的精确调控。这一突破不仅打破了传统水凝胶性能调控的“配方依赖”性，更为水凝胶材料在不同应用场景下的力学自适应性提供了可能。
为了验证这一创新方法的有效性，研究团队通过对预制缺陷下的裂纹扩展、循环拉伸性能、穿刺强度以及抗冲击性能等方面的系统测试，全面评估了图案化水凝胶的力学性能。实验结果表明，该水凝胶的韧性可在0.15-18千焦每平方米的范围内进行灵活调控，模量则可在0.32-5.92兆帕的范围内实现显著变化。此外，该水凝胶还展现出了优异的预制缺陷扩展和形变不敏感特性，以及出色的抗冲击性能，这些特性使其在不同应用场景下具有极高的适应性和稳定性。
该项研究成果不仅为水凝胶材料的研究与发展注入了新的活力，更为其在各个领域的应用提供了广阔的空间。在柔性电子领域，图案化水凝胶可根据具体需求调节其力学性能，为电子器件提供更加稳定可靠的支撑和保护；在仿生润滑领域，其优异的抗冲击和形变不敏感特性使其成为理想的润滑材料；在生物传感领域，其可调控的机械性能为传感器的设计和优化提供了更多可能性。
相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202417477
水凝胶力学
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