神奇！仿生水凝胶，抗子弹冲击！

一、研究背景在所有类型的物种中广泛观察到片状组织的存在，这对于实现其生物力学功能至关重要。例如，美国龙虾腹下的软膜尽管其含水量特别高（即90wt.%），但仍能表现出超高的断裂韧性（即25 MJ m⁻³）和抗拉强度（即23MPa）。这种前所未有的机械属性的整合主要归功于由排列整齐的甲壳素纳米纤维组成的精致的多层片状结构。然而，与天然材料相比，传统的合成水凝胶由于网络交联稀疏、固体含量低、结构均匀且缺乏结构层次，在实际应用中通常比较脆弱和易碎，从而阻碍了对长使用寿命、高负荷能力和/或耐冲击性有很高要求的实际应用。具有非凡机械性能（即强度、模量、韧性和抗疲劳性）的合成水凝胶工程的最有希望的方法之一是通过生物启发的结构层次设计。最壮观的例子是珍珠状聚合物或水凝胶复合材料，它由聚合物基体中排列整齐的微/纳米颗粒组成，因此，使它们既坚硬又有韧性，并且能够消散能量。除了层状和砖状的微结构外，高无机负荷（即>70 wt.％）是机械增强的另一个关键作用，然而，牺牲了水含量（即<30 wt.％）和柔软度（即模量>400MPa）。制造合成水凝胶材料，复制龙虾肚皮的设计（整合卓越的韧性、抗冲击性、含水量和柔软度）仍然是一个具有挑战性的目标。二、研究成果合成水凝胶可通过利用多长度尺度的结构层次而使其能力强化，作为一种低成本和丰富的材料，在需要前所未有的机械坚固性的应用中有着巨大的前景。然而，在单一的水凝胶材料中集成高抗冲击性和高含水量而又具有卓越的柔软性，仍然是一个巨大的挑战。在此，南方科技大学刘吉团队报告了一种简单而有效的策略，包括双向冷冻铸造和压缩退火，从而获得一种分层结构的水凝胶材料。独特的二维片状结构、明确的纳米晶域和片状结构之间强大的界面相互作用的合理工程，协同促进了创纪录的高弹道能量吸收能力（即2.1 kJ m^-1），且保留其高水含量（即85 wt.%）和卓越的柔软度。再加上其低成本和非凡的能量消散能力，此水凝胶材料为类似盔甲的保护环境提供了传统水凝胶材料的耐用替代品。相关研究工作以“Impact-Resistant Hydrogels by Harnessing 2D Hierarchical Structures”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。三、图文速递图1. 具有二维片状结构的抗冲击水凝胶的设计和制造图2. 具有多种长度尺度层次的二维片状水凝胶研究者还制作了对照样品进行比较，包括使用单向冻铸法制作的PVA/GO水凝胶（称为1D PVA/GO）、不退火的2D PVA/GO水凝胶（称为2D PVA/GO-NA）、不压缩退火的2D PVA/GO水凝胶（称为2D PVA/GO-NCA）以及使用经典冻融法制作的PVA/GO水凝胶（称为随机PVA/GO）。正如广角X射线散射（WAXS）和小角X射线散射（SAXS）分析中进一步说明的那样，与使用不同方法制造的其他水凝胶相比，二维PVA/GO水凝胶中的富含聚合物的层状结构在更细的尺度上高度排列。图3 二维PVA/GO水凝胶的机械性能 研究者通过纳米压痕进一步研究了此水凝胶材料的准静态机械性能。在1μm的深度测量了还原模量，这大约是湿润状态下二维PVA/GO水凝胶的单层厚度。材料设计和制造的一个长期挑战是强度和韧性之间的内在冲突，因为这两种特性是相互排斥的。有趣的是，二维PVA/GO水凝胶在压缩-退火时拉伸强度的急剧增加且不伴随着韧性的下降。任意方向的韧性为85.7 kJ m^-2，与其正交垂直方向的韧性相似。图4 二维PVA/GO水凝胶的抗弹力四、结论与展望综上所述，研究者报告了一个简单而有效的设计原理，它利用双向冻铸和压制的两步制造策略，为传统的水凝胶软材料赋予了前所未有的抗冲击能力。这种水凝胶材料具有类似于许多生物原型的分层二维片状结构，与现有的类似物相比具有显著的优势，包括卓越的抗冲击性、含水量、韧性、强度和易制造性，因此，为以低成本制造高性能和耐用的软材料提供了新的机会，可用于多种情况，包括软体装甲、机器人和柔性电子产品等。

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