北海道大學(xué)龔劍萍教授《Nat. Mater.》: 斷鍵觸發(fā)凝膠快速自增強
材料中化學(xué)鍵的斷裂通常會導(dǎo)致材料的災(zāi)難性失效。為解決這一問題，北海道大學(xué)龔劍萍教授與杜克大學(xué)Michael Rubinstein教授帶領(lǐng)的團隊成功利用斷裂觸發(fā)新結(jié)構(gòu)形成從而實現(xiàn)材料快速自增強，為力化學(xué)設(shè)計高強韌聚合物材料，特別是速度依賴性方面提供新策略。相關(guān)研究成果以《Rapid self-strengthening in double-network hydrogels triggered by bond scission》為題發(fā)表在《Nature Materials》上(2025-02-26)。
如何讓柔軟的水凝膠既具備優(yōu)異的變形能力，又能抵抗撕裂？2003年，北海道大學(xué)龔劍萍教授提出“雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”賦予凝膠卓越的強韌性。2019年，她進一步提出力致生長策略，通過第一網(wǎng)絡(luò)斷裂生成的自由基觸發(fā)新網(wǎng)絡(luò)形成，從而實現(xiàn)材料的自增強。然而，由于新網(wǎng)絡(luò)形成速度慢，這類自增強機制無法在常見變形速率下提供即時強化。
策略關(guān)鍵：控制斷鍵-成鍵反應(yīng)在拉伸過程中
近日，研究人員通過在雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的第一網(wǎng)絡(luò)中引入低斷鍵力的偶氮鍵，大幅提高力致斷裂位點的濃度，使新網(wǎng)絡(luò)形成速率相比未修飾的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠提升了近百倍，從而使材料在變形過程中實現(xiàn)快速強化。這一實時自增強策略顯著提高了材料的抗裂紋擴展能力，使含缺口樣品的斷裂伸長率提升至原來的三倍以上。
快速自增強提升抗裂紋性能
由于力致斷鍵機制的普適性，該增強增韌策略可廣泛適用于各類高分子材料。此外，該研究開辟了一種基于力化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)調(diào)控聚合物材料速率依賴性的新途徑。具體而言，在較低拉伸速率下，力化學(xué)反應(yīng)有充足時間進行，新形成的網(wǎng)絡(luò)更為致密，從而顯著提升材料的強度和韌性；而在較高拉伸速率下，反應(yīng)時間受限，導(dǎo)致新網(wǎng)絡(luò)形成不完全，材料力學(xué)性能明顯下降。這一“越慢越強”的反，F(xiàn)象，與傳統(tǒng)高分子鏈松弛特性的“加載速率越快，材料越強”模式形成鮮明對比。Rubinstein 教授團隊李偉博士（現(xiàn)蘇州實驗室前沿材料部研究員）通過理論分析與分子動力學(xué)模擬，進一步揭示了該快速自增強機制的顯著速率依賴性源于變形速率與新網(wǎng)絡(luò)形成動力學(xué)之間的協(xié)同作用。
部分作者照片
正如該研究的第一作者王志健博士所述：“自增強材料標志著從被動承受力學(xué)損傷向主動適應(yīng)力學(xué)環(huán)境的轉(zhuǎn)變。通過合理利用力化學(xué)，特別是對其反應(yīng)動力學(xué)的精準調(diào)控，我們可以針對特定需求定制強化策略，不僅限于水凝膠，還可拓展至橡膠、彈性體及更廣泛的高分子材料體系！
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02137-6
