《Science Advances》:具有多种机理的多尺度分级结构增强的强韧纤维状水...
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发布时间：2024-10-18 06:54
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时间：2024-11-16 19:13
天然材料如珍珠、骨和丝绸的强韧特性源于其独特的多尺度层次结构，这些结构在不同层次上各有增韧机制，从分子到宏观层面。科研人员正试图将这种天然设计转化为仿生水凝胶技术。
来自新加坡的研究团队由Wei Zhai和Huajian Gao领导，利用冷冻铸造技术，创造出具有多尺度分层结构的强韧水凝胶。这种凝胶的独特之处在于其分层结构，包括微尺度的各向异性蜂窝状纤维壁和基质，它们的模量分别为8.96和0.73 MPa。水凝胶内部融合了纳米级氢键增强的纤维以及链连接的离子键聚乙烯醇网络，这使得其在《Science Advances》上以“Strong and tough fibrous hydrogels reinforced by multiscale hierarchical structures with multimechanisms”为题的研究中脱颖而出。
研究者们探索了如何通过创新设计，如冷冻铸造和溶液替换，实现水凝胶在多尺度上的增强。他们制造的水凝胶展示了从微观的纤维滑动到宏观的纤维拉出的增韧行为，其强度和韧性超越了传统水凝胶，甚至接近了某些天然材料的水平。
实验中，通过冷冻铸造技术形成的纤维状水凝胶具有显著的机械性能提升，其强度达到7.11 MPa，韧性达到58.9 MJ/m3，显示出明显的各向异性。研究者还通过分子动力学模拟，揭示了乙醇和铁离子在强化和增韧过程中的关键作用。
总结来说，本研究不仅提供了制造强韧纤维水凝胶的新方法，还揭示了多尺度结构下多种增韧机制的协同作用，这为未来开发更高级别的分层材料设计提供了宝贵的理论基础。
