水凝膠因其獨(dú)特的導(dǎo)電性、柔性和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在可穿戴電子設(shè)備、軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)及固態(tài)電解質(zhì)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，傳統(tǒng)水凝膠因缺乏能量耗散機(jī)制，易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和韌性不足。盡管研究者通過(guò)雙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化等策略提升了性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高斷裂強(qiáng)度與高韌性仍是巨大挑戰(zhàn)。

西南林業(yè)大學(xué)杜官本院士、楊龍研究員、Wan Jianyong博士研究團(tuán)隊(duì)，利用碳點(diǎn)（CDs）誘導(dǎo)結(jié)晶域并整合“釘扎效應(yīng)”取向調(diào)控，開發(fā)出兼具超高強(qiáng)度、韌性和穩(wěn)定性的聚乙烯醇（PVA）水凝膠。該材料抗拉強(qiáng)度達(dá)156 MPa，韌性高達(dá)225 MJ m?3，遠(yuǎn)超工程塑料、橡膠甚至天然肌腱。CDs作為納米級(jí)成核位點(diǎn)，在PVA網(wǎng)絡(luò)中形成致密結(jié)晶域作為物理交聯(lián)點(diǎn)，有效耗散能量并抑制裂紋擴(kuò)展。該策略適用于多種CDs和聚合物體系，且水凝膠在水下保持穩(wěn)定導(dǎo)電性，為水下運(yùn)動(dòng)傳感和柔性超級(jí)電容器提供了新方案。相關(guān)論文以“A tough and robust hydrogel constructed through carbon dots induced crystallization domains integrated orientation regulation”為題，發(fā)表在《自然·通訊》上。

材料設(shè)計(jì)與表征

研究以檸檬酸制備碳點(diǎn)（CDs），透射電鏡顯示其粒徑約3 nm且分布均勻（圖1b）。拉曼光譜（圖1c）和X射線衍射（圖1d）證實(shí)CDs具有高石墨化程度和豐富含氧官能團(tuán)。通過(guò)將CDs引入PVA水凝膠（圖1e），誘導(dǎo)形成結(jié)晶域，再經(jīng)檸檬酸鈉鹽析和漸進(jìn)拉伸構(gòu)建有序結(jié)構(gòu)（PVA-CDs-SP）。掃描電鏡顯示（圖1f），取向調(diào)控后的水凝膠表面呈現(xiàn)明顯纖維狀結(jié)構(gòu)，類似肌腱的致密排列。

圖 1 |CDs 和 PVA-CDs-SP 水凝膠的制備。

CDs增強(qiáng)機(jī)制

添加10 wt% CDs的PVA水凝膠（PVA-CDs）抗拉強(qiáng)度從0.27 MPa提升至9.36 MPa（圖2a）。FT-IR和拉曼光譜（圖2c,d）表明CDs通過(guò)氫鍵增強(qiáng)聚合物鏈相互作用；低場(chǎng)核磁共振（圖2e,f）證實(shí)其束縛水分子能力顯著提升（T?從43.98 ms降至6.29 ms）。XRD分析（圖2h）顯示CDs使結(jié)晶度從15.4%增至26.1%，小角X射線散射（SAXS）進(jìn)一步揭示結(jié)晶域數(shù)量增加而非尺寸增大（層間距從5.41 nm縮至4.35 nm，圖2j）。

圖 2 |水凝膠的機(jī)械性能和通過(guò)添加 CD 進(jìn)行增韌調(diào)整。

釘扎效應(yīng)突破性能極限

基于釘扎效應(yīng)的取向結(jié)構(gòu)使PVA-CDs-SP水凝膠抗拉強(qiáng)度達(dá)154.5 MPa，韌性達(dá)210.3 MJ m?3（圖3a,b）。相比純PVA，其強(qiáng)度、模量和韌性分別提升53,807%、514,581%和32,853%（圖3d）。該策略通用性強(qiáng)：蘋果酸、單寧酸等生物質(zhì)衍生的CDs均能制備高強(qiáng)韌水凝膠（圖3e,f）。其性能超越人造蛛絲、凱夫拉等材料（圖3h），單根水凝膠纖維可承受30 kg重量（相當(dāng)于自重的15萬(wàn)倍），多股編織的“水凝膠繩”甚至可拉動(dòng)2噸汽車（圖3j-l）。

圖 3 |由“釘扎效應(yīng)”誘導(dǎo)的堅(jiān)韌而堅(jiān)固的水凝膠的機(jī)械性能。

取向調(diào)控強(qiáng)化機(jī)制

鹽析-拉伸協(xié)同作用使結(jié)晶度從26.1%（PVA-CDs）增至49.05%（PVA-CDs-SP，圖4f）。SAXS二維衍射環(huán)變?yōu)榛⌒危▓D4g），赫爾曼取向參數(shù)達(dá)0.794（圖4h），證實(shí)高度有序排列。偏振顯微鏡顯示拉伸至400%時(shí)晶體沿力方向定向生長(zhǎng)，釘扎效應(yīng)鎖定非晶鏈運(yùn)動(dòng)，使裂紋擴(kuò)展需消耗更高能量。

圖 4 |水凝膠的增韌機(jī)制。

水下傳感與儲(chǔ)能應(yīng)用

PVA-CDs-SP水凝膠經(jīng)1100次30%應(yīng)變循環(huán)后仍保持穩(wěn)定力學(xué)響應(yīng)（圖5a-c），溶脹率僅3%（補(bǔ)充圖25）。其電導(dǎo)率受溫濕度影響小（圖5e,f），應(yīng)變傳感系數(shù)（GF）為0.214-0.567，在空氣、海水等環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手指/手腕彎曲信號(hào)穩(wěn)定（圖5i,j）。用作固態(tài)電解質(zhì)時(shí)（圖6a），組裝的超級(jí)電容器比電容達(dá)91.5 F g?1（0.2 A g?1），8000次循環(huán)后容量保持率近100%（圖6e），CV曲線呈理想矩形（圖6b）。

圖 5 |用于水下傳感。

圖 6 |使用 PVA-CDs-SP 水凝膠作為準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。

總結(jié)與展望

該研究通過(guò)碳點(diǎn)誘導(dǎo)結(jié)晶域與釘扎效應(yīng)取向調(diào)控，創(chuàng)立了制備超強(qiáng)韌水凝膠的普適性策略。其突破性性能解決了水凝膠機(jī)械強(qiáng)度與韌性的長(zhǎng)期矛盾，水下穩(wěn)定性和導(dǎo)電性更拓寬了在柔性傳感、軟體機(jī)器人及新能源器件中的應(yīng)用場(chǎng)景。未來(lái)可進(jìn)一步探索生物質(zhì)衍生CDs的規(guī)模化制備，推動(dòng)該技術(shù)向可穿戴設(shè)備和仿生工程材料領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>