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(huì)削弱材料的強(qiáng)度。然而，在本研究中，北海道大學(xué)龔劍萍教授團(tuán)隊(duì)、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(shí)現(xiàn)聚合物網(wǎng)絡(luò)材料的自增強(qiáng)。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(qiáng)材料的強(qiáng)度，并顯著提高抗裂性能。這種快速增強(qiáng)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(dòng)力學(xué)之間的相互作用決定。由于該網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)制適用于具有不同動(dòng)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(jì)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(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
研究亮點(diǎn)
(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(shí)現(xiàn)了快速網(wǎng)絡(luò)形成，從而實(shí)現(xiàn)材料的自增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)了材料的強(qiáng)度和抗裂性能。(2) 實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整弱鍵的化學(xué)結(jié)構(gòu)和斷裂動(dòng)力學(xué)，系統(tǒng)研究了材料的力化學(xué)響應(yīng)速率及其對(duì)增強(qiáng)效果的影響。結(jié)果表明，該增強(qiáng)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(dòng)力學(xué)與新網(wǎng)絡(luò)形成動(dòng)力學(xué)之間的競爭關(guān)系。(3) 研究進(jìn)一步采用分子動(dòng)力學(xué)模擬，闡明了網(wǎng)絡(luò)形成過程中的關(guān)鍵機(jī)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(qiáng)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(qiáng)化的概念方案。圖2:在拉伸試驗(yàn)中，雙網(wǎng)絡(luò)DN- (2-(acryloyloxy)ethyl) trimethylammonium chloride，DAC水凝膠的自增強(qiáng)。圖3: 在單邊缺口試驗(yàn)中，DN-DAC水凝膠的速率依賴性裂紋增強(qiáng)。圖4: 在純剪切試驗(yàn)和褲形撕裂試驗(yàn)中，DN-DAC凝膠的裂紋擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠的自增強(qiáng)。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(shí)力學(xué)性能下降的情況相反，DN 水凝膠的強(qiáng)度在加載速率降低時(shí)反而增加，這主要源于新網(wǎng)絡(luò)形成與裂紋擴(kuò)展之間的動(dòng)力學(xué)競爭。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，進(jìn)一步揭示了自增強(qiáng)效應(yīng)的速率依賴性及其可調(diào)控性。利用這一增強(qiáng)效應(yīng)，我們顯著提高了材料的抗裂性能，不僅增強(qiáng)了缺口材料的伸展性，還延長了其耐久性和使用壽命，這對(duì)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(qiáng)化方法互補(bǔ)。利用弱的犧牲鍵能夠生成更多的活性位點(diǎn)，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(tuán)（mechanophores）也可應(yīng)用于該策略。本研究強(qiáng)調(diào)了使力化學(xué)響應(yīng)動(dòng)力學(xué)與加載歷史及目標(biāo)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(jì)，開發(fā)具有速率依賴性行為的高性能材料。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
