新加坡国立翟玮/南洋理工高华健Sci Adv：多尺度层次结构和多机制强化而成的坚韧纤维水凝胶

传统的水凝胶很脆弱，在很大程度上限制了其应用。在之前的研究中，研究者们增强凝胶力学性能的主要方式集中在分子工程和组成方面，涉及的结构变化仅限于分子尺度或纳米尺度。即使设计良好的双网络水凝胶，其韧性也难以超过 10 MJ/m ³ 。为了进一步提高水凝胶的强度和韧性，在更大的长度尺度上探索增韧机制，构建更先进的设计将是有意义的。

新加坡国立大学 翟玮 教 授团队与南洋理工大学 高华健 教授团队合作， 提出了一种冷冻铸造辅助溶液替代策略，以制造具有从分子到微米级层次结构的强韧纤维水凝胶。通过将定向冷冻的聚乙烯醇 (PVA) 冰块浸入添加了氯化铁的乙醇溶液中制备，并通过实验表征与理论模拟相结合的方法以了解每种长度尺度下潜在的强化和增韧机制 。 该工作以 “ Strong and tough fibrous hydrogels reinforced by multiscale hierarchical structures with multimechanisms ” 为题发表在 23 年的《 Science Advances 》 上。

【制备工艺】

（1） 将 PVA 粉末溶解于反渗透 (RO) 水中，磁力搅拌加热 (80 ℃ ) ，制备 PVA 水溶液 (10 wt %) 。脱气后得到清澈的溶液。

（2） 冷冻铸造用的是特氟龙模具，模具放在半浸在液氮中的铜指上。使用比例积分导数 (PID) 控制加热环，铜指顶部的温度保持在 - 80 ° C 。室温解冻后的样品记为 FC-1T 。

（3） 将冷冻样品浸泡在乙醇或乙醇氯化铁溶液中 ( 氯化铁浓度为 2 wt %) ，在 - 10 ° C 下进一步取代 3 天，分别表示为 FC-Et 和 FC-EtFe 。

【文章亮点】

（1） 通过创新的冷冻铸造辅助溶液替代策略，成功构建了从分子到微米尺度的多尺度层次结构，这种结构在不同层次上展现出多种增强和增韧机制。

（2） 在微观层面上，通过形成具有高模量的微米级各向异性蜂窝状纤维壁和基质、氢键增强的纤维以及通过铁离子交联的强 PVA 链，实现了水凝胶的显著增强。

（3） 制造的水凝胶展现出了优异的机械性能， FC-EtFe 在平行冰柱生长方向加载时表现出了良好的力学响应， FC-EtFe 的强度是 FC-Et (1.40 MPa) 的 5.1 倍，是 FC-1T (0.11 MPa) 的 64.6 倍 ，并且 水凝胶表现出典型的各向异性纤维材料的逐渐破坏模式，出现断裂和纤维拔出。

（4） 研究不仅通过实验表征了水凝胶的机械和断裂性能，而且通过理论模拟进一步理解了不同尺度下的增强和增韧机制。 采用均质法和有限元法相结合的方法对增强纤维墙体的弹性特性进行了表征。并且通过分子动力学模拟，进一步研究乙醇分子和 Fe ³⁺ 对 PVA 链的影响。

图 1 坚韧纤维水凝胶的制备及层次结构

图 2 韧性水凝胶的表征

图 4