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  作為一種性能優(yōu)異的軟材料，水凝膠在柔性電子和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。在水凝膠的實(shí)際應(yīng)用中，通常需要將其與其他材料進(jìn)行集成。這種集成提出了一個(gè)基本要求：在水凝膠和各種工程表面之間實(shí)現(xiàn)可靠的界面粘附。為了實(shí)現(xiàn)這一可靠的粘接界面，常見(jiàn)的策略是將韌性水凝膠與界面相互作用相結(jié)合，從而大大提升界面的粘附韌性。然而，這種策略在實(shí)際使用中往往受到一些限制。一方面，韌性水凝膠的力學(xué)性能在循環(huán)加載后往往會(huì)迅速減弱。另一方面，粘附韌性反映的是界面在預(yù)裂紋存在下的裂紋擴(kuò)展阻力，而在實(shí)際應(yīng)用中，界面不一定存在尖銳的預(yù)裂紋，僅僅依賴于粘附韌性這一指標(biāo)來(lái)衡量黏附質(zhì)量可能會(huì)低估水凝膠黏附層的實(shí)際承載能力。

  為了解決這些問(wèn)題，西安交通大學(xué)劉子順課題組在水凝膠黏附層中引入了一種名為十字型切割（crosswise cutting）的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，并提出了一種新的黏附質(zhì)量度量準(zhǔn)則—裂紋萌生阻力準(zhǔn)則。這種策略不受限于特定類(lèi)型的水凝膠，并且通過(guò)增加最大剝離力并限制裂紋起裂長(zhǎng)度，來(lái)增強(qiáng)了裂紋萌生阻力，從而提高了水凝膠的黏附性能。相關(guān)工作近期以“Enhancing the crack initiation resistance of hydrogels through crosswise cutting”為題發(fā)表在固體力學(xué)旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。

圖3 橫向切割策略下水凝膠的90度剝離曲線和裂紋萌生前剝離過(guò)程區(qū)的照片

，并對(duì)其進(jìn)行了理論推導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變切割類(lèi)型、水凝膠厚度和切割尺寸，可以優(yōu)化的值

圖4 橫向（也是十字型）切割下臨界裂紋萌生能量釋放率的推導(dǎo)

  基于臨界裂紋萌生能量釋放率的表達(dá)式，研究人員進(jìn)一步揭示了“十字型切割”策略增加的內(nèi)在機(jī)制，即應(yīng)力分散效應(yīng)（圖5），并且通過(guò)引入宏觀Lake-Thomas模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)“十字型切割”策略下值的預(yù)測(cè)。

圖5 十字型切割策略的應(yīng)力分散效應(yīng)

  該研究工作提出的十字型切割策略克服了傳統(tǒng)水凝膠強(qiáng)粘附策略的局限性，提供了一種較為簡(jiǎn)便有效的增強(qiáng)水凝膠粘附的方法。該策略不僅提高了抗裂紋萌生能力，而且提高了抗裂紋擴(kuò)展能力。十字型切割策略不限于特定材料，可以應(yīng)用于各種材料類(lèi)型。此外，它還增強(qiáng)了水凝膠在不同表面上的順應(yīng)性和魯棒性，進(jìn)一步擴(kuò)大了其潛在應(yīng)用。同時(shí)，該研究也希望能引起人們對(duì)實(shí)際應(yīng)用中水凝膠黏附質(zhì)量評(píng)估的關(guān)注。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022509623003204?via%3Dihub