中科院兰州化物所刘维民院士团队重磅综述Chemical Reviews：聚合物凝胶的力学调控

聚合物凝胶具有高度溶剂溶胀的三维高分子网络，是一类典型的类组织的工程软、湿材料，在柔性生物电子、生物医疗工程、能源动力系统、致动器和机器人、高端能源装备、化妆护肤等众多领域获得了广泛的应用。聚合物凝胶的工程应用面临着复杂的环境工况和功能需求，因此对聚合物凝胶的力学性质进行合理的调控优化，实现与相关功能一致的力学适配性，一直是研究的焦点和挑战，是本领域科学研究的重要前沿之一。

图 1 聚合物凝胶的典型应用和优异力学性能的评价参数。

近日，中国科学院院士、兰州化物所刘维民研究员与湖北大学郭志光教授合作在Chem. Rev.以“Mechanical Regulation of Polymer Gels—聚合物凝胶的力学调控”为主题发表研究性综述。中国科学院大学博士生许成功为该论文第一作者，中国科学院院士、兰州化学物理研究所刘维民研究员和黄金霞副研究员，以及湖北大学郭志光教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项等的支持。

该工作详尽地介绍了调控聚合物凝胶力学调控的普适机制和工程策略，具体从分子工程和结构工程阐述了聚合物凝胶的调控策略、调控机制和仿生制造方法；梳理了具有优异力学性能的聚合物凝胶在生物医疗、柔性电子和仿生致动器的典型范式；并在此基础上提出了聚合物凝胶未来在力学机制、制造方法、应用升级的尚存挑战和发展趋势，提出协同方法学（synergistic methodology）的调控思想以应对未来的发展的技术瓶颈。

图2. 综述标题和目录信息。

主要内容：该研究指出耦合相互作用和网络结构，可以调控聚合物凝胶的力学性能，实现其定制化的力学属性。本文综述了聚合物凝胶力学的分子工程和结构工程的调控策略以及力学机制。分子工程通过编辑分子结构并在分子水平上操纵官能团/基团，引入各种非共价相互作用和永久/可逆的动态键作为力学耗散能。分子工程通常使用单体、交联剂、高分子链和其他添加剂，具体的调控策略主要包含聚合物网络效应、交联剂效应、非共价相互作用、纳米晶域、链缠结以及分子的立体化学效应。结构工程主要是裁剪/设计体相网络以构建高阶耗散结构，主要包括铸造方法、溶剂相调控、机械化学/力效应，机械互锁结构以及异质模量组分等调控策略。

图3 聚合物凝胶力学调控的普适力学机制以及分子工程和结构工程调控策略。

发展前景：分子和结构工程的多种力学调控策略的协同将实现分子和结构尺度的耦合，赋予聚合物凝胶多尺度的力学耗散机制。这种协同不仅会实现极端力学性能，而且为物理和化学各种属性之间的兼容性提供可操纵手段。结合先进的力学机制和仿生制造方法，提出了“协同方法学”的调控思想以应对聚合物凝胶面对不同服役工况下性能和功能的发展需求，有助于在未来开发更加个性化和兼容性的聚合物凝胶。就力学属性而言，协同方法学主要是指将分子工程和结构工程的各种调控策略完美地集成在同一体材料中，实现不同力学属性之间的权衡，例如强度、韧性、弹性、疲劳、黏附等；在凝胶功能方面，协同方法学主要指实现力学性质与电学性质、光学性质、摩擦和润滑性质以及磁学等性质之间的兼容。总的来说，协同方法学将提供一种组合设计理念来构建具有个性化力学性能和相关功能的聚合物凝胶，从分子和结构的角度建立全面的力学机制，并进一步启发先进的制造技术来构建具有互不相容性质的兼容性聚合物凝胶。

图4 从基础和理论到具有优异力学的聚合物凝胶的发展前景。

图5 协同方法学设计具有不相容的力学性能和物理性质的兼容性聚合物凝胶。

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https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00498

来源：高分子科学前沿

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