自修復水凝膠可以自主修復損傷，提高了其性能穩定性，拓寬了其作為軟器件的應用范圍。雖然動態相互作用的加入增強了自愈能力，但同時也削弱了水凝膠的強度。加熱等外部刺激在加速愈合過程的同時，也可能導致脫水。開發一種結合快速愈合和高機械強度的穩定修復策略是具有挑戰性的。寧波大學趙傳壯教授團隊介紹了具有室溫快速自愈的高強度水凝膠的“鹽焊”。這是通過鹽反應性聚（甲基丙烯酰胺）水凝膠中的動態硼酸酯鍵實現的。這個過程包括“鹽融合”，將裂縫轉化為粘稠的液體，以便迅速愈合，然后是“鹽固化”，使水凝膠變韌。在室溫下，水凝膠在95分鐘內達到2300兆帕斯卡的修復強度，愈合效率接近100%。利用其可調的機械強度和快速愈合率，水凝膠可以作為可修復的耐磨材料和阻尼裝置進行定制。該研究以“Salt-welding strategy for the design of repairable impact-resistant and wear-resistant hydrogels”為題發表在Science Advances ( IF 11.7 ) Pub Date : 2025-01-24 , DOI: 10.1126/sciadv.adr9834上。

合成方法

水凝膠的制備：將不同MAm和HEA比例的水凝膠進行聚合，標記為PMxHyBz水凝膠，其中x，y，z分別表示MAm， HEA和BA在前驅體溶液中的質量百分比。將單體（MAm，3.4 g和HEA，0.42 g）、交聯劑（BA, 0.072 g）、引發劑（APS, 20 mg）和去離子水（6.18 g）混合，將前驅體溶液的pH調至9，制備出PM34H4.2B0.72水凝膠作為示例水凝膠的前驅體溶液。將混合物倒入尺寸為70 mm×70 mm×2 mm的平行玻璃板模具中，在60°C下反應7小時，得到含有可逆動態硼酸酯鍵的聚（甲基丙烯酰胺-丙烯酸羥乙酯）水凝膠。然后，在30°C下，將PMHB水凝膠按照Hofmeister系列浸入含有各種鈉鹽（1.0 M）的豐富溶液中24小時，得到膨脹平衡的PMHB-x水凝膠，其中，“x”表示PMHB水凝膠浸入的特定鹽溶液。

圖文解析

圖1 受金屬熱焊啟發的可鹽焊水凝膠概念

圖2 PMHB水凝膠的合成、力學和流變性能：(A) PMHB水凝膠的分子結構，以及合成過程示意圖；(B)基于Hofmeister系列的不同鈉鹽水溶液（1.0 M）浸泡后的PMHB水凝膠照片；(C)不同鈉鹽水溶液（1.0 M）中pmeb水凝膠的單軸應力-應變曲線；(D)不同鈉鹽水溶液（1.0 M）中PMHB水凝膠的SAXS曲線；(E) PMHB水凝膠在不同鈉鹽水溶液（1.0 M）中的玻璃化轉變溫度，注意，玻璃化轉變溫度定義為加熱后流變試驗中損失tan δ峰的溫度；(F)和(G)不同鈉鹽（1.0 M）浸泡PMHB水凝膠的流變行為，(F)存儲模量G '和(G)損失模量G″隨頻率ω的函數；(H)時間-鹽型疊加構造的G′和G″主曲線，以PMHB水凝膠為參比水凝膠，30℃時相對溶脹體積比Qv為垂直位移因子

圖3 PMHB水凝膠的鹽焊：(A)描述玻璃狀水凝膠使用鹽焊策略愈合過程的機理圖；(B)不同鈉鹽（1.0 M）處理的PMHB- Na3Cit水凝膠的質子自旋弛豫時間（T2）；(C) pba摻雜的PMHB- Na3Cit水凝膠和新生的PMHB-Na3Cit水凝膠愈合界面的熒光顯微鏡圖像；(D) PMHB-Na3Cit水凝膠（在NaSCN融合后）在固化前后支撐1 kg重量的照片；(E)不同凝固時間下PMHB-Na3Cit水凝膠（NaSCN融合后）的應力-應變曲線；(F)可鹽焊PMHB-Na3Cit水凝膠與其他先進自愈水凝膠的愈合性能比較

圖4 可鹽焊PMHB-Na3Cit水凝膠的耐磨性能：(A)耐磨性試驗示意圖；(B) PMHB水凝膠和PMHB- Na3Cit水凝膠表面磨損痕的照片；(C) PMHB水凝膠和PMHB-Na3Cit水凝膠的COFs；(D) PMHB-Na3Cit水凝膠、鹽焊PMHB-Na3Cit水凝膠、鐵氟龍、鋼和鈦的磨損體積和磨損率；(E)受損的PMHB-Na3Cit水凝膠在鹽焊修復前后的照片；(F)原始的、損壞的和鹽焊接的PMHB-Na3Cit水凝膠的COFs；(G)五次損傷和鹽焊后PMHB-Na3Cit水凝膠的COFs柱狀圖

圖5 可鹽焊PMHB-Na2SO4水凝膠的抗沖擊性能：(A)球落沖擊試驗示意圖；(B) 32 g鋼球從70 cm高度自由下落時，空白樣品、PMHB水凝膠、PMHB-Na2SO4水凝膠、鹽焊PMHB-Na2SO4水凝膠、PMHB-Na3Cit水凝膠、PDMS、D3O和Poron對時間分辨沖擊力波的衰減；(C) PMHB水凝膠、PMHB-Na2SO4水凝膠、鹽化PMHB-Na2SO4水凝膠、PMHB-Na3Cit水凝膠、PDMS、D3O、Poron在70 cm高度對應的沖擊力衰減比；(D)損壞的PMHB-Na2SO4水凝膠照片，用鹽焊修復，保護玻璃板免受沖擊損傷；(E)雙層抗沖擊水凝膠的三維示意圖；(F) PMHB-Na3Cit水凝膠（剛性框架）和PMHB-Na2SO4水凝膠（緩沖層）通過鹽焊策略焊接在一起，以保護陶瓷杯