本文由Liju Xu、Yan Qiao和Dong Qiu等作者共同完成，研究机构包括中国科学院化学研究所、北京分子科学国家实验室、中国科学院大学等。该研究于2023年发表在《Advanced Materials》期刊上，题为“Coordinatively Stiffen and Toughen Hydrogels with Adaptable Crystal-Domain Cross-Linking”。研究的主要目标是解决水凝胶材料在刚性和韧性之间的固有矛盾，提出了一种基于可适应晶体域交联的设计策略，成功实现了水凝胶的刚性和韧性的协同增强。

研究背景

水凝胶作为一种软材料，在生物医学、软机器人和能源存储等领域具有广泛的应用前景。然而，传统水凝胶材料在刚性和韧性之间往往存在不可调和的矛盾：高刚性通常伴随着低韧性，反之亦然。这种矛盾限制了水凝胶在承重材料中的应用。以往的研究通过多网络设计或动态键的引入部分缓解了这一矛盾，但这些方法未能充分发挥交联点的变形抵抗和能量耗散能力。因此，如何设计一种既能保持高刚性又具备高韧性的水凝胶材料，成为该领域的一个重要挑战。

研究方法

本研究提出了一种基于溶剂交换辅助盐析策略的新型水凝胶制备方法，称为“Sal-Exogel”。该方法通过两步法构建水凝胶：首先，通过溶剂交换从良溶剂（如二甲基亚砜，DMSO）转移到较差的溶剂（如水），形成均匀且松散交联的PVA（聚乙烯醇）Exogel；其次，通过盐析过程在均匀网络中诱导高密度的晶体域形成，从而增强水凝胶的刚性和韧性。具体步骤如下：

1. 溶剂交换：将PVA溶解在DMSO中，形成均匀的溶液，然后通过溶剂交换到水中，恢复聚合物间的氢键作用，形成均匀的网络结构。
2. 盐析诱导结晶：将Exogel浸入盐溶液（如柠檬酸钠）中，通过盐析作用进一步诱导新的晶体域形成，增加交联密度。

实验结果

通过盐析过程，PVA Sal-Exogel的机械性能显著提升。在2.0 M柠檬酸钠溶液中盐析48小时后，水凝胶的弹性模量达到24.7 ± 2.3 MPa，断裂能量达到64.5 ± 2.8 kJ/m²，分别比未盐析的Exogel提高了37倍和6倍。此外，Sal-Exogel在循环加载测试中表现出优异的能量耗散能力，且结构稳定性良好。通过差示扫描量热法（DSC）和X射线散射（WAXS和SAXS）分析，证实了盐析过程中晶体域的数量密度显著增加，且晶体域的尺寸保持稳定，进一步支持了其机械性能的提升。

结论与意义

本研究提出了一种基于可适应晶体域交联的设计策略，成功实现了水凝胶刚性和韧性的协同增强。通过溶剂交换和盐析的结合，Sal-Exogel在均匀网络中形成了高密度的晶体域，这些晶体域在变形初期保持完整以限制网络变形，随后逐步解缠以耗散能量，从而实现了刚性和韧性的平衡。该研究不仅为设计高性能水凝胶提供了新的思路，还为其他软材料（如有机凝胶、离子凝胶和弹性体）的机械性能优化提供了参考。

研究亮点

1. 新颖的设计策略：通过溶剂交换和盐析的结合，实现了水凝胶中均匀分布的高密度晶体域交联，突破了传统水凝胶在刚性和韧性之间的固有矛盾。
2. 优异的机械性能：Sal-Exogel的弹性模量和断裂能量显著提升，达到了现有水凝胶材料的上限，甚至超越了部分弹性体的性能。
3. 广泛的应用前景：该设计策略具有普适性，可应用于多种聚合物和离子组合，为开发高性能软材料提供了新的解决方案。

其他有价值的内容

研究还通过循环加载测试和结构分析，揭示了Sal-Exogel在变形过程中的能量耗散机制，进一步验证了其结构稳定性和适应性。此外，研究还探讨了不同盐类和聚合物对Sal-Exogel机械性能的影响，证明了该方法的通用性和可扩展性。

本研究通过创新的设计策略和实验方法，成功解决了水凝胶材料在刚性和韧性之间的矛盾，为高性能水凝胶的开发和应用提供了重要的理论和实践基础。