本文介绍了一项关于各向异性抗疲劳水凝胶的研究，由Xiangyu Liang、Guangda Chen、Shaoting Lin、Jiajun Zhang、Liu Wang、Pei Zhang、Zeyu Wang、Zongbao Wang、Yang Lan、Qi Ge和Ji Liu等作者共同完成，发表于2021年的《Advanced Materials》期刊上。该研究旨在解决水凝胶材料在长期循环载荷下易发生疲劳断裂的问题，提出了一种简单且通用的策略，通过冰模板冷冻铸造（freeze-casting）和热退火（thermal annealing）两步工艺，显著提高了水凝胶的抗疲劳性能。

研究背景

水凝胶作为一种含有大量水的聚合物网络材料，在软体机器人、组织工程、生物电子学、可穿戴和植入式电子设备等领域具有广泛的应用前景。尽管近年来水凝胶的力学性能得到了显著提升，例如其韧性可以达到1000 J m⁻²，能够抵抗剧烈变形下的裂纹扩展，但其在多次循环载荷下的疲劳断裂问题仍然是一个重大挑战。现有的水凝胶材料在循环载荷下的疲劳阈值（即裂纹扩展所需的最小断裂能）通常低于100 J m⁻²，这限制了其在实际应用中的长期可靠性。

相比之下，生物组织（如骨骼肌、肌腱和软骨）不仅具有优异的强度、模量和韧性，还表现出极高的长期抗疲劳性能。例如，骨骼肌可以在每年数百万次的循环载荷下承受高达1 MPa的应力而不发生断裂，其疲劳阈值超过1000 J m⁻²。这种卓越的抗疲劳性能源于其分层排列的胶原纤维微/纳米结构。尽管仿生结构材料的设计在抗疲劳水凝胶的开发中显示出潜力，但如何以通用且可行的方式制备具有前所未有的抗疲劳性能的水凝胶材料仍然是一个未解决的问题。

研究方法

本研究提出了一种两步工艺来制备具有各向异性抗疲劳性能的水凝胶。首先，通过冰模板冷冻铸造工艺在聚合物溶液中形成优先排列的微/纳米结构。具体而言，研究人员选择了聚乙烯醇（PVA）水溶液作为起始材料，将其置于自制的模具中，并通过铜板进行单向冷冻。冷冻过程中，冰晶沿垂直方向生长，形成蜂窝状的多孔结构。随后，通过热退火处理（100°C，90分钟）进一步增加材料的结晶度，最终得到具有高结晶度和优先排列纤维结构的水凝胶材料。

研究结果

通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线散射（WAXS和SAXS）分析，研究人员发现，经过冷冻铸造和退火处理的水凝胶材料具有高度有序的微/纳米结构，结晶度显著提高（从1.56%增加到36.6%）。这种分层排列的结构使得水凝胶在平行于冰晶生长方向上的力学性能显著增强，拉伸强度达到2.5 MPa，是传统冷冻-解冻PVA水凝胶的6.4倍。此外，水凝胶在垂直于冰晶生长方向上的裂纹扩展行为表现出显著的抗疲劳性能，疲劳阈值高达1340 J m⁻²，远高于现有水凝胶材料的疲劳阈值（通常低于50 J m⁻²）。

研究意义

本研究提出了一种通用且简单的方法，能够显著提高水凝胶材料的抗疲劳性能，使其在长期循环载荷下表现出卓越的耐久性。这种各向异性抗疲劳水凝胶材料在软体机器人、人工肌肉等领域具有广泛的应用前景。例如，研究人员将其应用于水下机器人的负载部件，经过超过100万次的循环载荷后，材料仍能保持完好，未发生裂纹扩展。这一成果为设计低成本、高性能且耐用的软材料提供了新的思路。

研究亮点

1. 创新性方法：通过冰模板冷冻铸造和热退火两步工艺，成功制备了具有各向异性抗疲劳性能的水凝胶材料。
2. 通用性：该方法适用于多种水凝胶材料，包括多糖（如海藻酸钠、纤维素）、蛋白质（如明胶）和合成聚合物（如聚乙烯醇）。
3. 卓越性能：制备的水凝胶材料在平行于冰晶生长方向上的疲劳阈值高达1340 J m⁻²，远高于现有水凝胶材料。
4. 实际应用：该材料在水下机器人等实际应用中表现出优异的耐久性，展示了其在软体机器人、人工肌肉等领域的潜力。

结论

本研究通过冷冻铸造策略，成功设计并制备了具有各向异性抗疲劳性能的水凝胶材料。这些材料在疲劳阈值、制造简便性、材料选择多样性等方面具有显著优势，为软体机器人、人工肌肉等领域的应用提供了新的可能性。该研究不仅推动了水凝胶材料在力学性能上的突破，还为仿生材料的设计提供了新的思路。