中科院之聲 - 科研人員發展出高彈性水凝膠材料－鑽石舞台

聚合物水凝膠，作為一類通過化學交聯或物理相互作用形成的高分子三維網絡，因具有類似於生物組織的高含水量而表現出優異的生物相容性，在組織工程、藥物釋放、生物傳感等領域展現出應用潛力。然而，傳統水凝膠的力學性能較差，其實際應用受限。

近年來，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課題組致力於強韌水凝膠的開發與功能化研究，並取得系列進展。研究團隊從調控高分子鏈間相互作用角度出發，提出了高分子鏈氫鍵作用「時域調控」策略（Advanced Materials）以及「連體網絡」增強策略（Science Advances），實現了水凝膠的力學性能的提升；實現了水凝膠的多種功能化，發展了黏附型水凝膠（Chinese Chemical Letters）、耐鹽性水凝膠（Polymer）以及表面具有褶皺結構的仿生水凝膠（Chemical Communications）。

近日，該課題組在前期成果的基礎上，從高分子/納米顆粒相互作用調控角度出發，將高度枝化的二氧化硅納米顆粒（比表面積高達1000 m2.g-1）引入到適度化學交聯的聚合物膠網絡，發展了一類高含水量的純彈性納米複合水凝膠材料。在含水量達96 wt%的條件下，該類納米複合水凝膠表現出高達11.5倍的斷裂伸長率。由於徹底消除了凝膠網絡中的能量耗散途徑（高分子鏈解纏結、共價鍵斷裂等），此類納米複合水凝膠在循環載荷作用下幾乎沒有任何應力回滯，表現出類似於彈簧的純彈性力學行為。獨特的彈性力學行為還賦予此類複合水凝膠材料優異的抗疲勞性質，水相環境下的動態載荷測試表明歷經5000次循環拉伸處理後，此類納米複合水凝膠依然能維持其交聯網絡的完整性。基於此類納米複合水凝膠材料獨特的純彈性力學行為，研究還構建了離子型應變傳感器，實現了對微小振動的高靈敏度檢測。相關研究成果發表在AdvancedMaterials上。

研究工作得到國家自然科學基金和中科院的支持，並獲得美國橡樹嶺國家實驗室以及中國散裂中子源（東莞）小角中子散射線站的技術支持。美國馬薩諸塞大學科研人員參與研究。