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今日重磅《Nature》:强度、韧性、疲劳抗力均优异!

2021-02-25  材料科学网

编辑推荐:本文使用冷冻辅助盐析处理,获得了多长度尺度的分层水凝胶结构,具有高强度,韧性,拉伸性和疲劳抗力,性能优于其他水凝胶,甚至比天然肌腱都好!原本较弱的水凝胶以后或可以应用于医疗、机器人、能源和增材制造领域。

天然承重材料,如肌腱,其含水量约为70%,得益于其跨多个长度尺度各向异性结构的分层组装,虽然每年使用超过100万次但仍是强大且坚韧的。通过静电纺丝、挤压、复合、冷冻铸造、自组装和机械拉伸等方法,合成水凝胶的机械性能得到了极大改善。然而,与肌腱相比,许多同样含水量的水凝胶,并没有表现出高强度韧性抗疲劳性

近日,来自美国加州大学洛杉矶分校的Ximin He等研究者,提出了一种策略,使用冷冻辅助盐析处理,获得了一个多长度尺度的分层水凝胶结构。相关论文以题为“Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out”于今天(2月25日)发表在顶级期刊Nature上。更多精彩视频请抖音搜索:材料科学网。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03212-z

木材既轻又坚固;珍珠是坚硬而有弹性的;肌肉和肌腱既柔软又坚韧。这些天然材料,表现出一种通常矛盾的力学性能的组合,这归因于它们跨越多个长度尺度的层次结构。与天然承载材料相比,传统的水凝胶具有松散的交联、低固含量和均匀的结构,在现实世界的应用中相对脆弱,往往需要长使用周期、高负载或耐冲击、大变形。

近来,通过冷冻铸造、机械拉伸和复合,在水凝胶中创造了各向异性结构的结构工程方法。例如,定向冻结,或冰模板,由于其普遍适用于各种聚合物而被广泛使用。然而,微对准冰模板水凝胶的力学性能,与分子工程方法制备的均质韧性水凝胶相当,甚至更低。机械拉伸,也可用于制造各向异性的微/纳米结构。研究者还探索了,向水凝胶中添加外来微/纳米级纤维增强剂的复合方法。经过机械训练的水凝胶和水凝胶复合材料,与均质韧性水凝胶相比,具有相当大的强度和断裂韧性,但也有有限的延展性或含水量。这些结构工程方法的重点是优化现有水凝胶的微/纳米结构,然而,要同时创造出具有更复杂的层次结构更宽长度尺度的更强坚韧可拉伸和抗疲劳的水凝胶仍然具有挑战性

最近,一种由模量不同的纤维和相似成分的基体组成的各向异性复合材料,显示了在保持拉伸性的同时,提高强度、断裂韧性和疲劳抗力的有效性。因此,形成一种分层各向异性的单组分水凝胶,该水凝胶含有相同成分的强而可拉伸纤维,将有希望制造同时具有高强度、韧性、延展性和疲劳阈值的水凝胶。

聚合物聚集态的改变,可以通过添加特定的离子来实现;这被称为霍夫迈斯特效应,不同的离子有不同的能力沉淀聚合物。在特定离子的帮助下,相同的聚合物组成可以形成模量对比结构。同时,定向冻结使水凝胶在更大尺度(微米毫米)上具有各向异性结构,同时促进分子浓度。

在此,研究者使用分子工程和结构工程相结合的方法,来制造水凝胶。通过结合定向冷冻铸造和随后的盐析处理,协同创建不同长度尺度的水凝胶结构,从毫米尺度到分子水平(图1),研究者构建了具有等级和各向异性结构的强、韧、可拉伸和抗疲劳的水凝胶(表示为HA-PVA/明胶/海藻酸盐水凝胶)。所制备的聚乙烯醇水凝胶具有高度的各向异性,包括微米尺度的蜂窝状孔壁,这些孔壁又包括相互连接的纳米纤维网。这些水凝胶的含水量为70% - 95%,性能优于其他坚韧的水凝胶,甚至是天然肌腱;例如,极限应力为23.5±2.7百万帕斯卡,应变水平为2900±450%,韧性为210±13百万焦耳每立方米,断裂能量为170±8千焦耳每平方米,疲劳阈值为10.5±1.3千焦耳每平方米。

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