水凝胶女神，再发Nature Materials！
米测MeLab
2025-03-07
研究背景
材料中化学键的断裂可能导致灾难性失效，通常情况下，弱键会削弱材料的强度。然而，在本研究中，北海道大学龚剑萍教授团队、Michael Rubinstein、Zhi Jian Wang等人在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Rapid self-strengthening in double-network hydrogels triggered by bond scission”的最新论文。他们展示了如何利用弱键来实现聚合物网络材料的自增强。这些弱的牺牲键能够触发力化学反应，在变形过程中快速形成新的网络，从而增强材料的强度，并显著提高抗裂性能。这种快速增强效应表现出显著的速率依赖性，其本质由键断裂与力诱导网络形成动力学之间的相互作用决定。由于该网络形成机制适用于具有不同动力学特性的各种单体和交联剂，因此可以获得广泛的力学性能。这一发现或将启发通过力化学手段设计具有按需、速率依赖性力学行为的高韧性聚合物材料，从而拓宽其在各个领域的应用。
研究亮点
(1) 本研究首次利用弱键作为牺牲键，触发力化学反应，在双网络（DN）水凝胶中实现了快速网络形成，从而实现材料的自增强。实验发现，该方法显著提高了网络形成速率，使其比传统方法快100倍，有效增强了材料的强度和抗裂性能。(2) 实验通过调整弱键的化学结构和断裂动力学，系统研究了材料的力化学响应速率及其对增强效果的影响。结果表明，该增强效应具有明显的变形速率依赖性，归因于脆性网络的内部断裂动力学与新网络形成动力学之间的竞争关系。(3) 研究进一步采用分子动力学模拟，阐明了网络形成过程中的关键机制，证明快速的力化学转化能够在变形过程中有效增强材料的力学性能。
图文解读
图1:在双网络double-network，DN水凝胶中，通过断键触发的快速网络形成强化的概念方案。图2:在拉伸试验中，双网络DN- (2-(acryloyloxy)ethyl) trimethylammonium chloride，DAC水凝胶的自增强。图3: 在单边缺口试验中，DN-DAC水凝胶的速率依赖性裂纹增强。图4: 在纯剪切试验和裤形撕裂试验中，DN-DAC凝胶的裂纹扩展行为。
结论展望
本研究通过键断裂触发的快速网络形成，成功实现了双网络（DN）水凝胶的自增强。与大多数聚合物材料由于聚合物链的黏弹性在加载速率降低时力学性能下降的情况相反，DN 水凝胶的强度在加载速率降低时反而增加，这主要源于新网络形成与裂纹扩展之间的动力学竞争。通过分子动力学模拟，进一步揭示了自增强效应的速率依赖性及其可调控性。利用这一增强效应，我们显著提高了材料的抗裂性能，不仅增强了缺口材料的伸展性，还延长了其耐久性和使用寿命，这对于结构应用至关重要。 作为力诱导化学键断裂的结果，该策略可广泛适用于其他聚合物材料，并可与其他强化方法互补。利用弱的牺牲键能够生成更多的活性位点，从而加快力化学响应速率。除偶氮烷外，其他具有自由基反应特性的力化学基团（mechanophores）也可应用于该策略。本研究强调了使力化学响应动力学与加载历史及目标材料性能相匹配的重要性。例如，为了提高抗疲劳性能，在长期使用过程中，应平衡力诱导的键形成与键断裂过程。我们期待本研究能够启发基于力化学的按需功能材料设计，开发具有速率依赖性行为的高性能材料。Wang, Z.J., Li, W., Li, X. et al. Rapid self-strengthening in double-network hydrogels triggered by bond scission. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02137-6
