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  高彈性材料在人類的技術(shù)發(fā)展進程中發(fā)揮了重要作用，比如人類社會早期發(fā)展的彈弓類武器或者陷阱等捕獵裝置。彈性材料利用形變儲存或釋放能量，其儲存或釋放能量的幅度以及效率取決于彈性形變的程度以及形變過程中的能量耗散率。對于需要彈性材料重復做功的應(yīng)用場景而言，盡量減小其形變過程中的能量耗散率可以最大限度地發(fā)揮這類材料的優(yōu)勢。然而，大形變往往與高能量損耗率相對應(yīng)，成為一對共生的矛盾體。比如具備超大形變能力的聚合料彈性體材料，其超大形變能力往往建立在低交聯(lián)密度基礎(chǔ)上，由此會顯著增加高分子鏈段的纏結(jié)程度，進而在形變過程中產(chǎn)生明顯的能量耗散。雖然借助特殊的交聯(lián)方式或者交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在一定程度上兼顧大形變與低能量耗散率，但是目前仍然缺乏通用的策略來解決這對矛盾。

圖1. 低回滯納米復合水凝膠材料的結(jié)構(gòu)示意及其力學行為。

  針對以上問題，近期中科院化學所邱東研究員研究團隊基于之前的研究成果，從高分子/納米顆粒界面相互作用調(diào)控角度出發(fā)，通過將高度支化的二氧化硅納米顆粒（比表面積高達1000 m².g^-1）引入適度化學交聯(lián)的聚合物膠網(wǎng)絡(luò)，利用高界面曲率和大比表面積的協(xié)同增強顆粒/高分子界面作用原理，形成以超支化二氧化硅顆粒為主要交聯(lián)點的一類高含水量的純彈性納米復合水凝膠材料（圖1）。在含水量達96 wt%的條件下，該類納米復合水凝膠表現(xiàn)出高達11.5倍的斷裂伸長率。由于消除了凝膠網(wǎng)絡(luò)中的能量耗散機制（高分子鏈解纏結(jié)、共價鍵斷裂等），此類納米復合水凝膠在循環(huán)載荷作用下幾乎沒有任何應(yīng)力回滯，表現(xiàn)出類似于彈簧的純彈性力學行為。獨特的彈性力學行為還賦予此類復合水凝膠材料優(yōu)異的抗疲勞性質(zhì)，例如動態(tài)載荷測試表明歷經(jīng)5000次循環(huán)拉伸處理后，此類納米復合水凝膠依然能維持其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的完整性，顯示出與其初始狀態(tài)幾乎一致的力學行為。

圖2. 不同類型納米顆粒復合水凝膠材料的應(yīng)力松弛行為、動態(tài)流變行為、循環(huán)載荷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及小角中子散射原位表征結(jié)果及由此建立的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

  通過對比不同類型納米顆粒增強水凝膠的應(yīng)力松弛行為、動態(tài)流變行為以及循環(huán)載荷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖2），研究團隊明確了高度支化的納米顆粒作為主要交聯(lián)點對于構(gòu)建此類純彈性水凝膠材料的關(guān)鍵作用，并進一步通過小角X射線散射以及小角中子散射在微觀尺度上解釋了此類納米增強水凝膠材料純彈性力學行為的根源。

圖3. 基于低回滯納米復合水凝膠材料構(gòu)建的離子型應(yīng)力傳感器在微小振動高精度檢測中的應(yīng)用。

  最后，基于此類納米復合水凝膠材料獨特的純彈性力學行為，研究團隊還構(gòu)建了離子型應(yīng)變傳感器，實現(xiàn)了對微小振動的高靈敏度檢測（圖3）。該工作以“Hysteresis-Free Nanoparticle-Reinforced Hydrogels”為標題發(fā)表在材料學期刊《Advanced Materials》上。相關(guān)研究成果為構(gòu)建高彈性抗疲勞水凝膠材料提供了新的思路與解決方案。

  論文的第一作者是中科院化學研究所的孟曉輝博士。通訊作者是中國科學院化學研究所高分子物理與化學實驗室邱東研究員和美國馬薩諸塞大學Amherst分校的Thomas P. Russell教授。該工作得到了美國橡樹嶺國家實驗室、中國散裂中子源（東莞）小角中子散射線站工作人員的技術(shù)支持以及國家自然科學基金、國家重大研發(fā)計劃的資金支持。

  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108243