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  雙網(wǎng)絡(luò)DN（Double Network）水凝膠主要由電解質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)和中性凝膠網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，因其高機(jī)械強(qiáng)度和高韌性的性質(zhì)在軟物質(zhì)領(lǐng)域是一類獨(dú)特的凝膠材料。前期的研究工作指出，DN凝膠具有優(yōu)異的韌性，主要是由于其在拉伸變形過程中剛性的第一凝膠網(wǎng)絡(luò)不斷破壞并耗散的大量的能量。對(duì)DN凝膠斷裂過程、內(nèi)部破壞結(jié)構(gòu)和增韌本質(zhì)的理解，對(duì)于揭示研究和設(shè)計(jì)具有更高強(qiáng)度和韌性的材料具有重要的意義。然而，研究凝膠內(nèi)部第一網(wǎng)絡(luò)的破壞微觀結(jié)構(gòu)一直是DN凝膠研究的難題，這主要由于在DN凝膠中第一網(wǎng)絡(luò)很難單獨(dú)被檢測(cè)到。

  為了解決上述問題，北海道大學(xué)龔劍萍課題組開發(fā)了微電極的技術(shù)，利用微電極方法對(duì)帶有電荷的凝膠網(wǎng)絡(luò)非常敏感而對(duì)于中性的凝膠網(wǎng)絡(luò)不敏感的特點(diǎn)，研究電解質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)的破壞結(jié)構(gòu)�；谖㈦姌O技術(shù)得到的電位波動(dòng)變化，可以反應(yīng)出DN凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的破壞結(jié)構(gòu)，同時(shí)電位大小可以反應(yīng)出凝膠內(nèi)部的電荷密度。通過檢測(cè)凝膠在拉伸破壞后溶脹樣品的電位分布并結(jié)合凝膠的二次溶脹行為，研究人員成功預(yù)測(cè)了凝膠內(nèi)部的第一網(wǎng)絡(luò)的破壞結(jié)構(gòu)。

  研究人員首先采用一個(gè)微小電極針（直徑大小在170nm ~ 200 nm），DN凝膠預(yù)拉伸到不同應(yīng)變下樣品的二次溶脹行為和電位大小可以被定量地測(cè)試出來。研究發(fā)現(xiàn)：

• （1）凝膠電位的變化趨勢(shì)與力學(xué)拉伸曲線、拉伸破壞后的溶脹度大小的趨勢(shì)是一致的，從而反應(yīng)了在拉伸變形過程中第一凝膠網(wǎng)絡(luò)的破壞過程；

• （2）凝膠樣品的屈服是從表面向內(nèi)部擴(kuò)展的；

• （3）凝膠內(nèi)部第一網(wǎng)絡(luò)的不均勻破壞導(dǎo)致了凝膠內(nèi)部電位的不均勻變化，電位的波動(dòng)沿著拉伸方向上最為明顯；

• （4）隨著應(yīng)變的增加，破壞的第一網(wǎng)絡(luò)電位分布的變化由單峰分布到雙峰分布的轉(zhuǎn)變，這也意味著在凝膠在破壞時(shí)存在著不均勻的破壞區(qū)域，即主要破壞區(qū)和次要破壞區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域的特征尺寸與DN凝膠內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)不均勻性有關(guān)。

  該研究工作主要揭示了DN凝膠中第一網(wǎng)絡(luò)的破壞微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)于理解DN凝膠第一網(wǎng)絡(luò)在拉伸過程中的破壞行為提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

  相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Macromolecules, 2019。通訊作者為龔劍萍教授，第一作者是郭宏磊。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b01308