研究背景

材料中化學(xué)鍵的斷裂可能導(dǎo)致災(zāi)難性失效，通常情況下，弱鍵會削弱材料的強度。

然而，在本研究中，北海道大學(xué)龔劍萍教授團隊、Michael Rubinstein、Zhi Jian Wang等人在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Rapid self-strengthening in double-network hydrogels triggered by bond scission”的最新論文。他們展示了如何利用弱鍵來實現(xiàn)聚合物網(wǎng)絡(luò)材料的自增強。這些弱的犧牲鍵能夠觸發(fā)力化學(xué)反應(yīng)，在變形過程中快速形成新的網(wǎng)絡(luò)，從而增強材料的強度，并顯著提高抗裂性能。

這種快速增強效應(yīng)表現(xiàn)出顯著的速率依賴性，其本質(zhì)由鍵斷裂與力誘導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)形成動力學(xué)之間的相互作用決定。由于該網(wǎng)絡(luò)形成機制適用于具有不同動力學(xué)特性的各種單體和交聯(lián)劑，因此可以獲得廣泛的力學(xué)性能。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)l(fā)通過力化學(xué)手段設(shè)計具有按需、速率依賴性力學(xué)行為的高韌性聚合物材料，從而拓寬其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。

研究亮點

(1) 本研究首次利用弱鍵作為犧牲鍵，觸發(fā)力化學(xué)反應(yīng)，在雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠中實現(xiàn)了快速網(wǎng)絡(luò)形成，從而實現(xiàn)材料的自增強。實驗發(fā)現(xiàn)，該方法顯著提高了網(wǎng)絡(luò)形成速率，使其比傳統(tǒng)方法快100倍，有效增強了材料的強度和抗裂性能。

(2) 實驗通過調(diào)整弱鍵的化學(xué)結(jié)構(gòu)和斷裂動力學(xué)，系統(tǒng)研究了材料的力化學(xué)響應(yīng)速率及其對增強效果的影響。結(jié)果表明，該增強效應(yīng)具有明顯的變形速率依賴性，歸因于脆性網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部斷裂動力學(xué)與新網(wǎng)絡(luò)形成動力學(xué)之間的競爭關(guān)系。

(3) 研究進一步采用分子動力學(xué)模擬，闡明了網(wǎng)絡(luò)形成過程中的關(guān)鍵機制，證明快速的力化學(xué)轉(zhuǎn)化能夠在變形過程中有效增強材料的力學(xué)性能。

圖文解讀

圖1:在雙網(wǎng)絡(luò)double-network，DN水凝膠中，通過斷鍵觸發(fā)的快速網(wǎng)絡(luò)形成強化的概念方案。

圖2:在拉伸試驗中，雙網(wǎng)絡(luò)DN- (2-(acryloyloxy)ethyl) trimethylammonium chloride，DAC水凝膠的自增強。

圖3: 在單邊缺口試驗中，DN-DAC水凝膠的速率依賴性裂紋增強。

圖4: 在純剪切試驗和褲形撕裂試驗中，DN-DAC凝膠的裂紋擴展行為。

結(jié)論展望

本研究通過鍵斷裂觸發(fā)的快速網(wǎng)絡(luò)形成，成功實現(xiàn)了雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠的自增強。與大多數(shù)聚合物材料由于聚合物鏈的黏彈性在加載速率降低時力學(xué)性能下降的情況相反，DN 水凝膠的強度在加載速率降低時反而增加，這主要源于新網(wǎng)絡(luò)形成與裂紋擴展之間的動力學(xué)競爭。通過分子動力學(xué)模擬，進一步揭示了自增強效應(yīng)的速率依賴性及其可調(diào)控性。利用這一增強效應(yīng)，我們顯著提高了材料的抗裂性能，不僅增強了缺口材料的伸展性，還延長了其耐久性和使用壽命，這對于結(jié)構(gòu)應(yīng)用至關(guān)重要。

作為力誘導(dǎo)化學(xué)鍵斷裂的結(jié)果，該策略可廣泛適用于其他聚合物材料，并可與其他強化方法互補。利用弱的犧牲鍵能夠生成更多的活性位點，從而加快力化學(xué)響應(yīng)速率。除偶氮烷外，其他具有自由基反應(yīng)特性的力化學(xué)基團（mechanophores）也可應(yīng)用于該策略。

本研究強調(diào)了使力化學(xué)響應(yīng)動力學(xué)與加載歷史及目標材料性能相匹配的重要性。例如，為了提高抗疲勞性能，在長期使用過程中，應(yīng)平衡力誘導(dǎo)的鍵形成與鍵斷裂過程。我們期待本研究能夠啟發(fā)基于力化學(xué)的按需功能材料設(shè)計，開發(fā)具有速率依賴性行為的高性能材料。

原文詳情：

Wang, Z.J., Li, W., Li, X. et al. Rapid self-strengthening in double-network hydrogels triggered by bond scission. Nat. Mater. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02137-6

來源：奇物論