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四川大學(xué)金勇教授課題組 CEJ：低熵罰多層級(jí)相分離策略構(gòu)筑柔而強(qiáng)的水凝膠
2025-03-06  來源：高分子科技

  與天然材料相比，傳統(tǒng)的合成凝膠因受限于松散和不均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)層級(jí)的缺失，通常使得其低模量與高強(qiáng)度不能兼得。因此，如何調(diào)和合成凝膠中低模量和高強(qiáng)度之間的固有沖突仍是一項(xiàng)極其富有挑戰(zhàn)的任務(wù)。


  近日，四川大學(xué)金勇教授團(tuán)從熱力學(xué)角度出發(fā)，在結(jié)晶水凝膠中引入另一種與之不相容的軟相域結(jié)構(gòu)來代替一些結(jié)晶硬域以減少熵罰（構(gòu)象熵?fù)p失），從而構(gòu)筑了一種柔而強(qiáng)的水凝膠。兩種不同的相域結(jié)構(gòu)可以為聚合物網(wǎng)絡(luò)賦予多層級(jí)物理交聯(lián)結(jié)點(diǎn)，在初始變形過程中，弱的軟域會(huì)首先解離和坍塌，賦予水凝膠低模量；在較大變形過程中，強(qiáng)的硬域抵抗外部應(yīng)力的沖擊和集中來維持聚合物網(wǎng)絡(luò)的完整，以確保其具有較高強(qiáng)度，最終有效調(diào)和了傳統(tǒng)合成凝膠中低模量與高強(qiáng)度之間的沖突。


圖1. 基于低熵罰多層級(jí)相分離策略構(gòu)筑柔而強(qiáng)的水凝膠的示意圖


圖2. 水凝膠的結(jié)構(gòu)表征


圖3. 水凝膠的機(jī)械性能


圖4. 水凝膠的彈性和增韌機(jī)理


圖5. 水凝膠對(duì)缺陷和損傷的抗性


  該研究成果以題為“A low-entropy-penalty hierarchical multiphase design for soft yet strong hydrogels”在《Chemical Engineering Journal》上發(fā)表，第一作者為四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院博士生周榮，金勇教授為本論文的通訊作者。該項(xiàng)研究也得到了國(guó)家自然科學(xué)基金及四川省科技支撐計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。


  此外，該團(tuán)隊(duì)近年來圍繞水凝膠、離子凝膠、聚氨酯等基材也開發(fā)了多種特色功能材料（Polymer 2025, 317, 127949; Chem. Eng. J. 2024, 498, 155505;Adv. Funct. Mater. 2024, 2316687; Chem. Eng. J. 2024, 482, 148994; Chem. Eng. J. 2023, 476, 146840; Adv. Funct. Mater. 2023, 2301921; Chem. Eng. J. 2023, 456, 141082; ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 35469-35482; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 39120-39131; Nano Energy 2022, 104, 107962; Chem. Eng. J. 2022, 438, 135596; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 23916–23928）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160787

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