“盐焊接”的水凝胶！这所双非高校，新发Science子刊！
学术
2025-01-29 08:30
河南
自修复水凝胶是一类能够在损伤后自主修复的功能材料，因其在可穿戴设备、柔性储能和生物医学器件等领域的广泛应用而备受关注。与传统的弹性体材料相比，自修复水凝胶具有动态交联网络带来的优异修复能力和良好的柔性。然而，这类材料往往存在机械强度较低、修复速度缓慢等问题，特别是在应用过程中，外界刺激（如加热）可能导致水分蒸发，进一步限制了其实际应用的场景。这些挑战促使研究者们不断探索兼具快速修复和高机械强度的新型水凝胶设计策略。针对这一问题， 宁波大学赵传壮课题组、金依洁以及西安交通大学秦立果教授等人携手在Science Advances期刊上发表了题为“Salt-welding strategy for the design of repairable impact-resistant and wear-resistant hydrogels”的最新论文。该团队基于盐响应特性，设计并制备了一种具有“盐焊接”功能的高强度水凝胶。该材料通过在聚甲基丙烯酰胺水凝胶中引入动态硼酸酯键，利用“盐熔融”将断裂部位转化为粘性液体以实现快速修复，并通过“盐凝固”过程进一步增强材料的强度。研究结果表明，这种盐焊接水凝胶在室温下仅需95分钟即可实现接近100%的修复效率，修复后强度高达23兆帕。与传统方法相比，这种策略避免了水分蒸发的问题，同时实现了快速、多次、原位修复，表现出优异的耐磨性和阻尼性能。该研究突破了自修复水凝胶在强度与修复性能间的权衡，为耐磨材料和阻尼器件等领域提供了新的解决方案，展现出广阔的应用前景。1. 实验首次提出“盐焊接”策略，用于高强度水凝胶的室温快速自修复。实验基于动态硼酸酯键开发了一种盐响应型聚甲基丙烯酰胺水凝胶，通过“盐熔融”将断裂部位转化为粘性液体，从而实现快速修复。2. 实验通过盐焊接策略，显著提升了水凝胶的修复速率和机械性能。1）快速修复性能：在室温条件下，该水凝胶可在95分钟内实现修复，修复效率接近100%。2）高机械强度：修复后水凝胶的强度高达23兆帕，这在快速修复的水凝胶中处于领先水平。3）实验揭示了盐焊接的双重机制：“盐熔融”加速修复，“盐凝固”增强强度。通过引入盐离子，水凝胶在修复过程中经历了从粘性液体到强化固体的转变，不仅解决了传统修复方式中因加热引发的水分流失问题，还显著改善了水凝胶的耐磨性能和阻尼性能。图2. PMHB水凝胶的合成过程、力学性能和流变学特性。图4. 可盐焊接PMHB-Na3Cit水凝胶的耐磨性能。图5. 可盐焊接PMHB-Na2SO4水凝胶的抗冲击性能。综上所述，本研究提出了一种“盐焊接”策略，以解决可修复水凝胶中修复速率与机械强度之间的权衡问题。该修复过程通过在盐响应型聚甲基丙烯酰胺（PMAm）水凝胶中引入动态硼酸酯键得以实现。该策略分为两个步骤：首先是“盐熔融”阶段，在引入盐溶离子后将断裂部位转化为粘性液体，从而实现快速修复；接着是“盐凝固”阶段，通过加入盐析离子将融合后的水凝胶转化为增强材料。设计的水凝胶在室温焊接仅95分钟后即可达到23 MPa的修复后强度，同时修复效率接近100%。凭借水凝胶广泛的机械性能可调性，开发出了可修复的耐磨材料和抗冲击材料，其中“盐焊接”赋予了材料损伤恢复能力。Jiangpeng Jia et al. ,Salt-welding strategy for the design of repairable impact-resistant and wear-resistant hydrogels.Sci. Adv.11,eadr9834(2025).DOI:10.1126/sciadv.adr9834🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
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