南开大学关英、张拥军课题组：分子弹簧增强的高强度高回复性水凝胶

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合成高分子水凝胶的一个突出问题是机械强度差。为了解决这一问题，人们提出了很多制备高强度水凝胶的策略，例如双网络水凝胶、纳米复合水凝胶、tetra-PEG凝胶、拓扑水凝胶、双重交联水凝胶等。利用这些策略成功制备了许多高韧、高延展水凝胶。然而这些凝胶的可回复性（resilience）往往较差，经过一次受力形变后其力学性能常难以恢复，需经过较长时间等待甚至特殊处理才能大致恢复。制备强度高且可回复性良好的水凝胶成为这一领域的一大挑战。

为了提高水凝胶强度通用的策略是引入能量耗散机制。现有高强度水凝胶常通过共价键以及氢键、配位键、疏水相互作用、可逆共价键等可逆动态相互作用的断裂进行能量耗散，实现增强的目的。这些相互作用断裂后不能再生，或不能立即完全恢复。这是导致现有高强度水凝胶回复性差的根本原因。

为了解决这一问题，南开大学关英、张拥军课题组提出了一种新的能量耗散机制。很多多肽如聚谷氨酸等通过分子内氢键形成α-螺旋构象。这些氢键在受力拉伸时也能断裂，使能量耗散，因此可用于凝胶增强。与以前的能量耗散机制不同的是，撤去外力后这些氢键将立即重新生成，多肽将重新折叠形成α-螺旋结构。由于多肽折叠具有高度的精确性，重新生成的α-螺旋将与原来的构象相同，因此凝胶的各种性能将能快速恢复。在水凝胶中这些α-螺旋结构如同分子弹簧，在受力时吸收并储存能量，卸载时又将能量释放出来。因此凝胶将不仅具有高的强度，而且具有高的可回复性。其原理如下图所示：

利用这一原理他们制备了多肽交联的水凝胶。测试表明，由于能量耗散机制的引入，凝胶机械性能大大改善。断裂伸长率达>1250 %，抗张强度达>0.5 MPa，弹性模量达> 0.12 MPa，韧性达> 2.5 MJ/m³。和BIS交联的普通凝胶相比，多肽交联的水凝胶的韧性提高23倍。

更重要的是，连续加载-卸载实验表明，该凝胶具有良好的可回复性（>94%）。连续加载-卸载100次，结果高度可重复：

高强度水凝胶的一项重要用途是用于应力传感器。由于良好的可回复性，本工作制备的传感器不仅灵敏度高，而且数据高度可重复，基线非常稳定（见下图）。相反，由于可回复性不佳，以前报道的水凝胶传感器常常观察到明显的基线漂移。

这一成果发表在Chemical Engineering Journal上。第一作者为博士生刘瑞，通讯作者为关英副教授和张拥军教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128839

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