川大李建树/楚合涛教授《AFM》：超拉伸、可调模量、形状记忆、多功能低滞后水凝胶

水凝胶是由三维聚合物网络和水组成的一种类似生物组织的软材料。它广泛应用于组织工程、生物医学设备、制动器、药物传输、可拉伸电子器件和软机器人等诸多领域。近年来，人们致力于制备力学刚度高、延展性强、韧性好、自愈性好的水凝胶材料。然而，这些方法往往使水凝胶具有更大的迟滞性，从而导致疲劳损伤。此外，制备工艺复杂、合成路线繁琐、功能单一、模量不可控等大大限制了其更为广泛的应用。因此，通过简单的方法制备弹性模量可调、高弹性、多用途水凝胶仍然是一个挑战。

四川大学李建树教授和楚合涛教授团队通过丙烯酰胺（AM）和PF127-DA在水溶液中共聚合制备了由溶剂诱导的动态胶束海岛结构衍生的新型水凝胶材料。此水凝胶具有超拉伸（435 - 2716%, 10-40 wt %）、可变模量（0.36 - 112.79 MPa, 30 wt %）、坚韧（1.13-7.17 MJ m⁻³, 10-40 wt %）、低滞后（约10%, 30 wt %）、透明(27.98 -83.78%, 10-40 wt %)、形状记忆（固定比率高达97%,恢复率高达100%, 10 wt %）的特点。这类新型水凝胶材料可用于应力传感器、可拉伸电子器件和软机器人中。该工作以题为“Ultra-Stretchable, Variable Modulus, Shape Memory MultiPurpose Low Hysteresis Hydrogel Derived from SolventInduced Dynamic Micelle Sea-Island Structure”发表在《Advanced Functional Materials》。图1 PAM/PF127水凝胶的合成原理图及性能表征。（a） PF127-DA的合成；（b） PAM/PF127水凝胶的合成及其在水或乙醇中的微结构；（c）固含量为10 wt%的PAM/PF127水凝胶的性能测试，包括打结、弯曲、延性、拉伸、形状记忆、自愈合、可变模量等。文章亮点：1、作者通过溶剂诱导的PF127-DA分子链的聚乙烯氧化物（PEO）片段的结晶和基体体积相变来实现可变模量和形状记忆，这是一个可循环的纯物理过程。2、作者采用PF127-DA胶束海岛结构来优化力学性能，而不是通过引入牺牲键，体现了水凝胶材料的高韧性和低滞后性能。此外，PAM/PF127水凝胶对变形性、弹性、溶剂诱导的形状记忆性和变模量特性均具有较高的灵敏度。3、作者对PAM/PF127水凝胶的微观结构与性能进行了表征，证明了水凝胶的海岛结构的存在，同时探讨了在乙醇中结晶是由氢键离解引起的。

图2 PAM/PF127水凝胶在水中的力学测试和结构分析。（a）在不同固含量下，PAM/PF127水凝胶的拉伸应力-应变曲线；（b）在不同固含量下，PAM/PF127水凝胶的韧性；（c）固含量为30 wt%的PAM/PF127水凝胶在不同应变下连续10次加载-卸载拉伸循环测试;d) 韧性-滞后图；（e）不同固含量的PAM/PF127水凝胶的压缩应力-应变曲线；（f）固体含量为30 wt%的PAM/PF127水凝胶在不同应变下连续10次加载-卸载压缩循环测试；（g）聚丙烯酰胺、PF127- DA和30 wt%固含量的PAM/PF127水凝胶的FTIR光谱图；（h）30 wt%固含量的PAM/PF127水凝胶的TEM图像；（i）不同固含量的PAM/PF127水凝胶的SAXS曲线。