可逆双轴变形高达10,000%的超弹性水凝胶！

过去的水凝胶与橡胶一直近似遵循自由连接链模型，材料的最大单轴弹性应变λmax与N的1/2次方成正比（N, 交联点之间的链段数目）。此外，双轴变形仍然是一个巨大挑战。双轴变形下聚合物链条沿两个方向伸展，由于双轴锁死，共价交联或非固定的滑环交联都会严重限制材料的双轴可拉伸性。等双轴拉伸下的最大线应变相对于单轴拉伸下的最大线应变至少要低30%。进一步实现优异的可逆双轴变形则面临着更大的挑战，现有水凝胶的可逆双轴面应变目前限制在2,500%以下。清华大学王朝副教授通过在水凝胶中首次引入了可逆的串珠结构，这种串珠构象的λmax接近与N的2/3次方成正比，实现了可逆双轴变形高达10,000%的超弹性水凝胶。这项工作以“A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain”为题在Science上发表。

不同于传统材料90年来长期遵循的自由连接链模型，作者首次在材料中引入了一种串珠链模型。作者选取了具有强亲水性离子基团和弱疏水性但柔性的烷基链的聚电解质。疏水相互作用倾向于使聚合物链塌缩，静电相互作用倾向于使聚合物链伸展。作者通过降低水含量调控聚电解质烷基链之间的疏水相互作用与带电基团之间的静电相互作用的平衡，最终得到了具有串珠链构象的水凝胶材料。串珠链中小的带电珠子是由长而窄的弦连接起来。当水分减少到无法完全水合这种聚合物链时，烷基链之间的疏水相互作用逐渐能够与静电相互作用相互竞争。为了最小化不利的烷基-水接触，最大化有利的聚阳离子-水接触，聚合物链上会形成由低水合的“珠子”和高水合的“弦”组成的串珠结构。作者通过AFM, cryo-TEM和in-situ SAXS证实了水凝胶网络中含有大量亚纳米珠子的串珠结构的存在。

图1 水凝胶串珠网络

这种串珠链模型相对于自由连接链模型具有更高的收缩度，可以可逆地释放与回缩大量的链段数目。作者使用上海同步辐射BL16B光源原位观测了串珠结构的可逆地展开与重新折叠。随着拉伸倍数的增加，珠子之间的间距增大,低q区域出现新峰与新的散射环。当材料从1500%的单轴应变下释放，回复后的水凝胶的SAXS数据与未变形的水凝胶非常相似。证明了串珠构象在1,500%的应变释放后可以完全回复。

图2 可逆的串珠结构

基于这种可逆的串珠结构，作者最终得到具有超大可逆双轴面应变(10,000%)的水凝胶材料。水凝胶被双轴拉伸到10,000%的面应变可以在几秒内快速回复。一个具有内部空腔的水凝胶气动装置在充入相对于原始空腔体积1000倍的空气后，在放气后可以在几秒内快速回复。

图3 超弹性

由于大量静电作用的存在与聚电解质本征的离子导电性，这种超弹性水凝胶同时具有快修复与可感知变形的能力。作者也展示了这种超弹性水凝胶作为下一代能够对微小损伤不敏感，能够自体体积感知且具有超大抓取范围的多功能气动抓手的应用前景。

图4 多功能气动抓手

【小结】作者创新性地引入了可逆的串珠构象，首次实现了一种可逆双轴面应变高达10,000%的超弹性水凝胶。珠子作为链段储存库，当聚合物被拉伸时，这些链段可以展开；当应变释放后，这些链段又可以回缩到初始的串珠构象中。这种结构允许水凝胶可逆地被双轴拉伸到超大的面应变并在释放后完全回复。这种超弹性水凝胶也展现出对小机械损失的快速修复与感知变形的能力。这些进步为下一代需要超弹性，快修复和感知能力的气动机器人带来巨大的希望。