編輯推薦：本文使用冷凍輔助鹽析處理，獲得了多長度尺度的分層水凝膠結構，具有高強度，韌性，拉伸性和疲勞抗力，效能優於其他水凝膠，甚至比天然肌腱都好！原本較弱的水凝膠以後或可以應用於醫療、機器人、能源和增材製造領域。

天然承重材料，如肌腱，其含水量約為70%，得益於其跨多個長度尺度各向異性結構的分層組裝，雖然每年使用超過100萬次但仍是強大且堅韌的。透過靜電紡絲、擠壓、複合、冷凍鑄造、自組裝和機械拉伸等方法，合成水凝膠的機械效能得到了極大改善。然而，與肌腱相比，許多同樣含水量高的水凝膠，並沒有表現出高強度、韌性或抗疲勞性。

近日，來自美國加州大學洛杉磯分校的Ximin He等研究者，提出了一種策略，使用冷凍輔助鹽析處理，獲得了一個多長度尺度的分層水凝膠結構。相關論文以題為“Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out”於今天（2月25日）發表在頂級期刊Nature上。更多精彩影片請抖音搜尋：材料科學網。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03212-z

木材既輕又堅固；珍珠是堅硬而有彈性的；肌肉和肌腱既柔軟又堅韌。這些天然材料，表現出一種通常矛盾的力學效能的組合，這歸因於它們跨越多個長度尺度的層次結構。與天然承載材料相比，傳統的水凝膠具有鬆散的交聯、低固含量和均勻的結構，在現實世界的應用中相對脆弱，往往需要長使用週期、高負載或耐衝擊、大變形。

近來，透過冷凍鑄造、機械拉伸和複合，在水凝膠中創造了各向異性結構的結構工程方法。例如，定向凍結，或冰模板，由於其普遍適用於各種聚合物而被廣泛使用。然而，微對準冰模板水凝膠的力學效能，與分子工程方法制備的均質韌性水凝膠相當，甚至更低。機械拉伸，也可用於製造各向異性的微/奈米結構。研究者還探索了，向水凝膠中新增外來微/奈米級纖維增強劑的複合方法。經過機械訓練的水凝膠和水凝膠複合材料，與均質韌性水凝膠相比，具有相當大的強度和斷裂韌性，但也有有限的延展性或含水量。這些結構工程方法的重點是最佳化現有水凝膠的微/奈米結構，然而，要同時創造出具有更復雜的層次結構、更寬長度尺度的更強、堅韌、可拉伸和抗疲勞的水凝膠仍然具有挑戰性。

最近，一種由模量不同的纖維和相似成分的基體組成的各向異性複合材料，顯示了在保持拉伸性的同時，提高強度、斷裂韌性和疲勞抗力的有效性。因此，形成一種分層各向異性的單組分水凝膠，該水凝膠含有相同成分的強而可拉伸纖維，將有希望製造同時具有高強度、韌性、延展性和疲勞閾值的水凝膠。

聚合物聚集態的改變，可以透過新增特定的離子來實現；這被稱為霍夫邁斯特效應，不同的離子有不同的能力沉澱聚合物。在特定離子的幫助下，相同的聚合物組成可以形成模量對比結構。同時，定向凍結使水凝膠在更大尺度(微米毫米)上具有各向異性結構，同時促進分子濃度。

在此，研究者使用分子工程和結構工程相結合的方法，來製造水凝膠。透過結合定向冷凍鑄造和隨後的鹽析處理，協同建立不同長度尺度的水凝膠結構，從毫米尺度到分子水平(圖1)，研究者構建了具有等級和各向異性結構的強、韌、可拉伸和抗疲勞的水凝膠(表示為HA-PVA/明膠/海藻酸鹽水凝膠)。所製備的聚乙烯醇水凝膠具有高度的各向異性，包括微米尺度的蜂窩狀孔壁，這些孔壁又包括相互連線的奈米纖維網。這些水凝膠的含水量為70% - 95%，效能優於其他堅韌的水凝膠，甚至是天然肌腱；例如，極限應力為23.5±2.7百萬帕斯卡，應變水平為2900±450%，韌性為210±13百萬焦耳每立方米，斷裂能量為170±8千焦耳每平方米，疲勞閾值為10.5±1.3千焦耳每平方米。

圖1 HA-PVA水凝膠的製備與分級結構。更多精彩影片請抖音搜尋：材料科學網。

圖2 HA-PVA水凝膠的力學效能及結構演變。更多精彩影片請抖音搜尋：材料科學網。

圖3水凝膠結構與力學效能的關係。更多精彩影片請抖音搜尋：材料科學網。

圖4 冰模板輔助鹽析製得水凝膠的可調力學性質和共性。更多精彩影片請抖音搜尋：材料科學網。

在此，研究者使用冷凍輔助鹽析處理，開發了分級結構的水凝膠，結合了高強度，韌性，拉伸性和疲勞抗力。考慮到霍夫邁斯特效應存在於各種聚合物和溶劑體系中，本文提出的策略並不侷限於本文提出的體系。研究者預計，在該策略的幫助下原本較弱的水凝膠可以應用於醫療、機器人、能源和增材製造領域。（文：水生）