南科大刘吉《Adv. Mater.》：抗子弹冲击的水凝胶

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水凝胶的静态高韧性可以通过引入机械耗散机制（如动态化学键）来实现，但是在高速冲击下，这类高韧性水凝胶仍然容易发生结构破坏。生物矿化作为一种行之有效的途径能赋予材料优异的机械性能（如抗冲击强度），却极大的牺牲了材料的水含量（< 30 wt%）和柔韧性。兼具高抗冲击能力、高水含量和高柔性的水凝胶仍然鲜有报道。

近日，受启发于龙虾腹膜独特的构效关系，南方科技大学刘吉团队在Advanced Materials上发表文章“Impact-Resistant Hydrogels by Harnessing 2D Hierarchical Structures”，报道了一种简单而高效的仿生策略来设计与制造具有二维片层结构的抗冲击水凝胶。他们通过双向冷冻铸造工艺形成整齐排列的层状微/纳米结构，随后进行压缩-退火处理，调控片层结构的晶域和片层间作用力，从而得到具有高抗冲特性的水凝胶材料（冲击能量吸收~ 2.1 kJ m^-1），且保证了水凝胶材料的高水含量（~ 85 wt%）和柔韧性（如图1所示）。

图1. 抗冲击水凝胶的仿生设计与制备，片层结构特征以及优异的综合性能（高抗冲击、韧性、疲劳阈、强度和水含量）。

为了验证其动态抗冲击性能，论文作者自主开发了一款可控气动的高速子弹冲击装置（视频1），并采用高速摄像机系统捕捉子弹轨迹和速度测量（视频2）。相对于传统水凝胶材料，2D PVA/GO水凝胶不仅有效地抵抗子弹（150 m/s）的猛烈冲击（如图2所示），还兼具优异的抗疲劳、力学强度、韧性，以及高水含量和高柔性、低成本等优点，使其有望成为众多应用场景中抵抗外界冲击的新型软材料，例如贴身防护软铠甲等。此外，论文作者还系统的研究了这类水凝胶材料的多尺度微纳结构，结合实验（准静态和动态冲击实验）和力学模拟，揭示了抗冲击水凝胶材料的设计策略：单层结构和层间相互作用力的协同调控，实现冲击能量的快速耗散。

视频1. 高速子弹冲击装置和高速摄像机系统捕捉子弹的飞行轨迹。

图2. 2D PVA/GO 水凝胶的动态抗冲击性能。

视频2. 2D PVA/GO水凝胶抵抗子弹冲击过程。

南方科技大学梁翔禹博士为该论文第一作者，刘吉副教授为通讯作者。该研究得到深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室、广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室、广东省自然科学基金-区域联合基金项目（青年基金）、广东省自然科学基金面上项目、深圳市自然科学基金面上项目、深圳市优秀创新科技人才项目、南方科技大学校长卓越博士后项目等经费支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207587

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http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/

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