研究人员开发出一种水凝胶，该水凝胶在过载和受损时能够自我修复和增强。该概念证明的展示可能会提高在需要柔软但耐用材料的情况下的性能，例如机器、机器人乃至人类内部的承载连接和关节。
北海道大学和杜克大学的研究人员开发出一种水凝胶，该水凝胶在过载和受损时能够自我修复和增强。该概念证明的展示可能会提高在需要柔软但耐用材料的情况下的性能，例如机器、机器人乃至人类内部的承载连接和关节。
这项研究于2月26日在线发表在《自然材料》期刊上。
水凝胶听起来是个华丽的术语，但它们无处不在，比如柔软的隐形眼镜、果冻熊和软骨。这类材料的定义是由长分子链构成的网状矩阵，能够吸收和保持大量水分。
创建既柔软又易于变形但又不易撕裂的水凝胶非常具挑战性。想象一下，慢慢地用手按压果冻模具；它会隆起并保持完整一段时间，但最终它会裂开，失去结构完整性。
2003年，北海道大学的软物质和湿物质教授龚建平发明了所谓的双网络水凝胶。在这些材料中，额外的更坚硬和脆的内部骨架被置于水凝胶内，以提供额外的强度和耐久性。
杜克大学机械工程和材料科学的亚历山大·S·维西克杰出教授迈克尔·鲁宾斯坦说：“这个概念类似于您汽车上的轮胎。橡胶非常柔软，但通过在其中放置连接的碳颗粒网络，人们使轮胎变得更坚硬、强大和耐磨。”
双网络水凝胶，以及一般的水凝胶的一个缺点是，一旦内部网络破裂，就无法复原。您无法通过将压扁的果冻模具的部件重新捡起并放回原来的形状来将其合在一起。
为了解决这个问题，研究人员一直在努力制定创建实时工作自愈水凝胶的方案。然而到目前为止，这些效果在时间尺度上太慢，无法在实际应用中有效。
在这篇新论文中，龚、鲁宾斯坦和他们的同事展示了一种技术，创造出不仅能够自我修复的双网络水凝胶，而且比以前的例子更快地修复，同时变得更强。
他们工作的关键在于纳入快速破裂的内部支架的牺牲段，这些支架能够迅速创造新的结构支撑。每根断裂的链条的末端都会产生自由基，这些自由基与附近的双功能和多功能单体反应，形成链和交联，以创造新的网络。
鲁宾斯坦解释道：“普通的双网络水凝胶在刚性内部网络破坏时会失去它的支撑结构。但当这些结构破裂时，它们会释放出自由基，这些自由基与漂浮的构件（单体）反应，迅速形成新的网络。每当一个网络的部分断裂，它就成为更多反应的种子，从而自我增强，永不分裂。”
结果是一个能迅速有效抵抗裂缝和其他形式损伤的水凝胶。一旦裂缝开始形成——一旦果冻模具的内部开始试图溢出——材料会在该处形成新的键，并变得更强，以阻止断裂。
这一初步概念证明能够跟上每分钟约两英寸裂缝的形成速度。虽然这听起来并不很快，但在许多需要缓慢降解和磨损的应用中，它仍然会证明有用，而这些应用中快速运动和故障的影响更小。
这也是研究旅程的开始。鲁宾斯坦和他的实验室正在继续开发一个强大的计算模型，以了解这些内部动态如何工作。通过这种基础理解，他们计划找出调整这些材料的方法，使自我修复过程更快、更强大。
鲁宾斯坦说：“这只是版本一，我们已经朝着版本2.0进发。”
这项工作得到了日本学术振兴会(JSPS KAKENHI)的支持（JP22H04968, JP22K21342, JP24H00848），日本科学技术振兴机构(JST FOREST)的支持（JPMJFR221X），日本科学技术振兴机构(JST PRESTO)的支持（JPMJPR2098），以及国家科学基金会分子优化网络化学中心（MONET）CHE-2116298的支持。
