专栏名称: 高分子科技

高分子科技®做为全球高分子产业门户及创新平台“中国聚合物网www.polymer.cn”的新锐媒体，实时报道高分子科学前沿动态，关注和分享新材料、新工艺、新技术、新设备等一线科技创新设计、解决方案，促进产学研及市场一体化合作的共同发展。

兰州化物所刘维民院士/王道爱研究员/冯雁歌副研究员 Nat. Commun.: 超滞后介导机械训练设计超强共晶凝胶

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-03-20 11:50

正文

点击上方 “ 蓝字 ” 一键订阅

在聚合物凝胶研发领域，如何通过合理的设计策略将超高断裂强度与优异断裂韧性这对矛盾的力学特性有机融合，始终是聚合物凝胶极端力学致力突破的关键课题。鉴于此，中国科学院兰州化学物理研究所刘维民院士和王道爱研究员课题组创新地提出 “ 超滞后介导机械训练策略 ” ，集成分子和结构的正交协同耦合，构建了超强韧的共晶凝胶，为软材料的极端力学性能设计提供了全新的正交协同范式。相关研究工作以 “Ultrastrong eutectogels engineered via integrated mechanical training in molecular and structural engineering” 为题发表在 Nature Communications 上。中国科学院院士、兰州化学物理研究所 刘维民 研究员、 王道爱 研究员和 冯雁歌 副研究员为共同通讯作者，中国科学院大学兰州化物所博士生 许成功 为该论文第一作者。该工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项等的支持。

要点 1 、超滞后介导机械训练的设计机制及成果展示

本研究通过将 DESs 作为力学超滞后介质引入半结晶性 PVA 水凝胶体系中，构建超滞后介导的机械训练新范式。总体而言，超滞后介导的机械训练的合成范式为溶剂置换、单次机械训练及构筑化学交联第二网络。在溶剂置换过程中通过氢键重构促进 PVA 结晶增强，形成高度密集的纳米晶域。这种纳米晶域协同 DESs 固有的密集氢键赋予了超滞后效应，进一步介导单次预伸展的机械训练。在机械训练过程中，通过力调控纳米纤维的有序排列，形成各向异性的层级结构。与此同时，机械力也重塑纳米晶域的尺寸和拓扑，形成了密集的、精细的纳米晶域。最后，得益于结构阻滞效应可进一步构建化学交联网络锁定层级排列，形成层级互穿双网络结构。这种结构演化进程赋予了介观尺度的能量耗散机制，逐步地提升了力学性能，其断裂强度达 ~ 85.2 MPa 、杨氏模量为 ~ 98 MPa 、断裂韧性提升至 ~ 130.6 MJ·m ⁻³ 。

Fig ure 1 . Design principle and achievement exhibition of hyperhysteresis - mediated mechanical training.

要点 2 、共晶凝胶力学性能 的强化进程 和对比 研究

溶剂置换诱导水凝胶形成丰富纳米晶域，大幅提升凝胶的力学性能，保障进一步的机械训练。机械训练显著强韧化力学性能源于诱导的多级有序纳米纤维结构的形成与纳米晶体的定向排列。系统地力学性能研究表明：训练应变在力学性能的大尺度调控中起主导作用，而训练时间主要实现对力学性能进行精细微调。这种分级调控作用的主要机制是：聚合物链的伸展程度强烈敏感于训练应变，而训练时间对稳定伸展的链构象发挥着决定性的作用。训练应变越大，施加的训练力刺激更强，对聚合物链的伸展越有利。本研究所提出的超滞后介导机械训练策略，成功实现了凝胶材料力学性能的突破性提升且呈现宽泛的力学调控窗口，其杨氏模量、断裂强度与韧性同步达到创纪录水平，为高性能凝胶材料的工程化应用提供了全新范式。

Fig ure 2. Mechanical characterization of various mechanically trained eutectogels.

要点 3 、 超滞后诱导的结构阻滞效应

基于前期机械训练应变 / 时间对材料力学性能的显著调控效应，本研究进一步揭示了超滞后介导机械训练引发结构阻滞效应的物理机制。超滞后介导的结构阻滞效应具有双重表征特性：（ 1 ）机械训练后结构恢复率可忽略不计；（ 2 ）机械训练后再次浸泡在化学网络前驱液中仍可维持极低恢复率；分别对应两个评价指标： SN−E 的机械训练比（ Mechanical Training Ratio ， MTR ）与 DN−E 的机械训练效率（ Mechanical Training Effectiveness ， MTE ）。通过 MTR 和 MTE 量化分析，并结合构建的三阶段演化规律和力学行为模型，解耦超滞后诱导的机械训练过程中能量耗散（阶段 I ~ II ）与结构重构（阶段 III ）的力学行为，为调控聚合物凝胶的力学属性之间的协同性提供了关键理论依据。

Fig ure 3 . Hyperhysteretic intermediate-induced structural retardation after mechanical training .

要点 4 、 超滞后介导机械训练的结构演化和内部相互作用

进一步通过 SEM 、 WAXS 、 SAXS 、 DFT 及 DSC 共同表明力学性能的强化与纳米 / 微观结构的演化密切关联：溶剂置换通过重构氢键网络显著精细化纳米晶域；机械训练诱导形成层级纤维网络，并伴随着纳米晶域的长程有序的拓扑形成；层级网络与化学交联网络进一步形成的层级互穿的双网络结构。这种 “溶剂置换诱导结晶 − 机械训练驱动有序化 ” 的协同机制，为超强凝胶材料的多尺度分子协同结构设计提供了理论基础。

Figure 4. Structural evolution and internal intera ctions of hyperhysteresis-mediated mechanical training strategy.

兰州化物所刘维民院士/王道爱研究员/冯雁歌副研究员 Nat. Commun.: 超滞后介导机械训练设计超强共晶凝胶

正文

请到「今天看啥」查看全文