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  自然界中的生物材料常常使用有限的成分進(jìn)行構(gòu)筑，其可通過利用多尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其與人工材料相比，具有無與倫比的機械性能。相比之下，合成材料的設(shè)計主要集中在開發(fā)新的化合物，而不能復(fù)制大自然生物材料的優(yōu)異特性，如抗疲勞性能。南科大劉吉團隊在《Advanced Materials》上發(fā)表文章《Anisotropically Fatigue-Resistant Hydrogels》，報道一種簡單而通用的策略，實現(xiàn)水凝膠內(nèi)部多尺度微結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，從而提高其疲勞閾值達(dá)100倍以上。該策略可被廣泛應(yīng)用于各種水凝膠材料，包括多糖(藻酸鹽、纖維素)、蛋白質(zhì)（明膠）、合成聚合物（聚乙烯醇）以及相應(yīng)的聚合物復(fù)合材料。本工作中所報道的抗疲勞水凝膠，相對于傳統(tǒng)方法獲得的水凝膠材料具有優(yōu)異的抗疲勞特性，同時兼具成本低、性能高、耐用等優(yōu)點，有望應(yīng)用于軟體機器人和人造肌肉等領(lǐng)域。

  劉吉團隊報道的方法只需要兩步簡單的工藝（圖1）：首先通過冷凍鑄造實現(xiàn)水凝膠內(nèi)部多尺度微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，隨后通過熱處理調(diào)控納米晶域的可控分布，有效的抵抗裂紋拓展。為了驗證抗疲勞水凝膠的設(shè)計原理，該團隊選用醫(yī)用聚合物聚乙烯醇（PVA），獲得高含水量（~ 90%）的水凝膠材料。這類水凝膠沿著冷凍鑄造方向展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，可以輕易地提起比自身重3萬多倍的重物，斷裂韌性高達(dá)116 kJ m^-2。

圖1. 各向異性抗疲勞水凝膠的制備過程、實物展示和多尺度結(jié)構(gòu)表征。

  如圖2所示，通過定量測量疲勞裂紋的拓展曲線，他們發(fā)現(xiàn)無退火處理的PVA水凝膠的疲勞閾值僅僅只有20 J m^-2，約等于斷裂一層無定形分子鏈，與傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)的PVA水凝膠類似。當(dāng)PVA水凝膠經(jīng)過冷凍鑄造和退火處理后，其疲勞閾值在垂直取向上為34 J m^-2，而在平行取向上能夠達(dá)到1340 J m^-2。同時，提高PVA的水含量能實現(xiàn)疲勞閾值高達(dá)2740 J m^-2。此外，該各向異性抗疲勞水凝膠的策略被證實可以應(yīng)用于其他不同的材料體系，如多糖（藻酸鹽、纖維素）、蛋白質(zhì)（明膠）、合成聚合物（PVA）以及相應(yīng)的聚合物復(fù)合材料。

圖2. 各向異性抗疲勞水凝膠的抗疲勞性能和廣譜性驗證。

  如圖3所示，他們設(shè)計制造了一種水下游泳機器人，采用電動馬達(dá)展開手臂，同時將這類各向異性抗疲勞水凝作為力學(xué)傳動部分，實現(xiàn)該機器人可以在水下連續(xù)長期地游動。

圖3. 各向異性抗疲勞水凝膠在水下機器人應(yīng)用場景的百萬次驗證。

  他們在垂直于拉伸方向引入了一個微小的預(yù)切口，經(jīng)過超1,000,000次的連續(xù)循環(huán)拉伸（水下游動長達(dá)250小時），裂紋依然沒有拓展，表現(xiàn)出前所未有的抗疲勞特性。與之形成鮮明對照，傳統(tǒng)的凍融解凍得到的PVA水凝膠則迅速發(fā)生疲勞斷裂。

  南方科技大學(xué)梁翔禹博士為該論文第一作者，劉吉副教授為通訊作者。該研究得到深圳市仿生機器人與智能系統(tǒng)重點實驗室、廣東省普通高校人體增強與康復(fù)機器人重點實驗室、廣東省自然科學(xué)基金-區(qū)域聯(lián)合基金項目（青年基金）等經(jīng)費支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202102011

招聘信息

  劉吉課題組長期招聘研究助理教授、博士后和研究助理，有意者請將個人簡歷（pdf）等相關(guān)材料發(fā)送至liuj9@sustech.edu.cn郵件標(biāo)題請注明“姓名+畢業(yè)學(xué)校+應(yīng)聘職位”，期待您的加盟！

  劉吉副教授及團隊簡介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學(xué)獨立建組，任博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域為軟材料的極限性能設(shè)計、仿生軟材料、界面粘合、軟材料3D打印以及功能軟材料在組織工程上的應(yīng)用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)表文章40余篇。先后獲得《麻省理工科技評論》中國區(qū) “35歲以下科技創(chuàng)新35人” (2020)、珠江人才引進(jìn)高層次人才青年項目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協(xié)會青年學(xué)者獎(2017)、瑪麗居里學(xué)者(2015)等榮譽。課題組更多信息請看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/