《AM》合工大从怀萍、秦海利/南科大俞书宏院士：超高韧性单网络水凝胶问世！

传统自由基聚合反应（FRRs）制备的水凝胶和弹性体普遍存在结构缺陷，如交联点分布不均和大量悬挂链末端。这些缺陷严重削弱了材料的机械性能。尽管已有研究通过引入牺牲结构提升韧性，但往往导致显著滞后效应，难以兼顾低滞后性与高韧性。如何从根本上消除网络缺陷，成为材料科学领域的长期挑战。

合肥工业大学从怀萍教授、秦海利副教授与南方科技大学俞书宏院士合作在《Advanced Materials》发表最新成果，提出“分子经济策略”，利用纳米交联剂（二氧化硅纳米颗粒）和纳米引发剂（金纳米颗粒）同步消除悬挂链缺陷并构建双交联网络（硫金键与共价键）。所制备的单网络水凝胶断裂韧性高达78,500 J m⁻²，抗疲劳性达2480 J m⁻²，较传统材料提升13倍和55倍，同时保持超低滞后性（0.07）。该材料还具有水下自愈合、抗溶胀等特性，为水下柔性器件开发提供新平台。

结构-性能协同突破

研究团队通过对比三种水凝胶网络结构（图1a-c），揭示传统聚丙烯酰胺（CPAM）因分子交联剂导致交联点分散和悬挂链密集分布；而采用二氧化硅纳米颗粒交联的NCPAM虽改善空间均匀性，但悬挂链缺陷仍存留；创新设计的SAPAM水凝胶以纳米二氧化硅为交联剂、金纳米颗粒负载光引发剂形成纳米引发剂，成功将悬挂链通过硫金键（RS–Au）整合为有效交联点，实现空间与拓扑结构双重优化。

图1：结构设计革新。

力学性能测试验证了该设计的革命性突破：仅3.3克的SAPAM水凝胶可提起200克重物，而对照组材料断裂或严重变形；其拉伸率高达4100%，断裂强度达0.4 MPa，是NCPAM的8倍。更引人注目的是，悬挂链转化贡献了86%的韧性提升，使材料韧性峰值达11 MJ m⁻³，断裂韧性创78,500 J m⁻²纪录。切口敏感性测试中，即便切口比例达1/2，能量敏感因子kᵣ仍低于2，远优于工程塑料，凸显其卓越的缺陷容忍度。

图2：力学性能突破。

智能响应与稳定性

SAPAM水凝胶在400%应变下滞后仅0.07，打破材料学界长期存在的“韧性-滞后”权衡困局；其抗疲劳阈值达2480 J m⁻²，超过对照组55倍。金纳米颗粒赋予材料独特的光热响应能力：两片水凝胶在水下接触后，经近红外光（808 nm）照射1分钟，界面快速愈合并恢复至2700%拉伸率，愈合效率达83%。

图3：低滞后与智能响应。

溶胀性能研究（图4a-f）进一步展现应用潜力：在95 wt.%超高含水率下，材料仍保持2000%拉伸性，超越水母等天然生物材料；溶胀后断裂韧性达1824 J m⁻²，为传统水凝胶10倍。紫外光谱证实其溶胀过程均匀对称，且水中浸泡1个月后机械性能无衰减，为水下长期应用奠定基础。

图4：溶胀稳定性。

总结与展望

该研究通过“缺陷消除+双交联”策略，攻克了自由基聚合材料的结构缺陷难题，创造了兼具超高韧性、低滞后及水下自修复的单网络水凝胶。其分子经济设计理念为开发高性能聚合物提供了新范式，尤其在深海软体机器人、可植入医疗器件等水下场景中展现广阔应用前景。团队强调，此架构调控方法有望拓展至其他弹性体体系，推动材料科学进入“零缺陷”新时代。

来源：高分子科学前沿