近年来，许多机械强度高的合成水凝胶得到了发展;然而，它们中很少有像肌肉这样的活组织那样既坚韧又有弹性。对于韧性和回弹性的本质要求是矛盾的，因此设计一种既具有高韧性又具有高回弹性的凝胶是一个巨大的挑战。

普通水凝胶力学性能弱的一个主要原因是缺乏应力作用下的能量耗散机制。因此，实现高韧性的一般策略是引入能量耗散机制。因此，在凝胶的应力-应变曲线中通常会出现较大的滞后环。相反，具有高回弹性的凝胶在变形时的能量损失可以忽略不计。这种内在矛盾的要求使得设计一种既具有高韧性又具有高回弹性的凝胶变得非常困难。目前能量耗散通常是通过牺牲键的断裂来完成的，包括共价键、氢键、疏水相互作用、离子键、动态共价键等。在卸载过程中，这些化学键不能可逆被破坏，导致了较大的滞后循环，从而导致凝胶的回弹性较低。即使有非共价键作为牺牲键来说，其被破坏后的重建与恢复，仍然具有温度和时间依赖性，作为高分子链来说，其非共价键的恢复并不能保证具有完全的原位恢复性，因此，其这个大因素将极大的制约水凝胶材料的回复性能。

为了解决这一问题，受螺旋弹簧的启发，螺旋弹簧在变形时吸收和储存机械能，但在去除应力时释放机械能。在天然聚氨基酸中，聚L-谷氨酸通常在弱酸条件下极易形成螺旋构象，这是一种类似弹簧的分子结构，主要由分子间氢键作用形成，并具有良好的可逆性。这为构建可逆恢复的高分子链奠定了理论基础。

在这里，南开大学张拥军课题组提出通过将具有螺旋构象的肽链，即所谓的分子弹簧，纳入水凝胶网络中，设计出具有高韧性和高回弹性的水凝胶。在加载过程中，肽螺旋将被拉伸到拉长的状态(图1A)。稳定螺旋结构的分子内氢键将被断裂(图1B)，从而提供了能量耗散获得韧性的机制。与普通牺牲键不同的是，断裂的氢键将在卸载过程中完全重组(图1B)，肽链将精确地重新折叠成螺旋结构(图1A)。系统吸收和储存的能量将会返回，导致小的滞后回路和高弹性。通过这种方法，成功地合成了高韧性、高延展性和高回弹性的水凝胶。制成的凝胶随后被用于制造用于感知人体运动的应变和压力传感器。由于凝胶的高弹性，传感器不仅非常敏感，而且高度稳定和可靠。该研究成果以“HighlyTough, Stretchable and Resilient HydrogelsStrengthened with Molecular Springs as a Wearable, Flexible Sensor”为题发表在国际著名期刊Chemical Engineering Journal上。

由于肽交联剂的低浓度和大尺寸，所形成的水凝胶网络具有较低的不均匀性。此外，螺旋链在外力作用下会被拉长，稳定螺旋结构的分子内氢键也会被破坏，这为能量耗散提供了一种新的机制。因此，肽交联水凝胶的机械强度和延伸性得到了显著提高。与以前使用的能量耗散机制不同，这里的分子内氢键和因此螺旋结构在卸载后立即改变，导致一个小的滞后回路和高回弹(>94%)。网络中的螺旋肽链就像分子大小的弹簧一样，在变形时吸收和储存机械能，但在应力消除时释放它。因此，同时实现了高韧性和高回弹性。使用该凝胶成功制备了可穿戴的柔性应变/压力传感器。由于凝胶的高弹性，传感器具有空前稳定的基线和高度可重现的信号高度可靠。

论文要点：

1、提出了一种设计高韧性、高弹性水凝胶的新策略；2、螺旋肽分子内的氢键首次被用于能量耗散；3、同时实现了高韧性和高回弹性；4、制备了高度可靠的可穿戴柔性应变/压力传感器。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721004332

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