聚合物凝胶力学调控取得新进展

近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料重点实验室的合成润滑材料研究团队，携手湖北大学材料科学与工程学院，在聚合物凝胶的力学调控领域取得了重要进展。双方合作发表的综述文章，深入阐述了聚合物凝胶的力学机制、调控策略以及仿生制造原理。相关论文发表于Chemical Reviews。

聚合物凝胶作为一类典型的类组织工程软材料，在装备动力传动系统、致动器和机器人、能源装备、生物医疗工程、柔性生物电子、化妆品等领域具有广阔的应用前景。凝胶的工程应用需面对不同的环境工况条件，对聚合物凝胶的机械/力学性能及相关功能进行调控，是该领域科学研究的重要前沿之一。

研究团队提出了耦合多种相互作用构筑网络结构，实现聚合物凝胶可定制化及调控其力学性能的策略。研究显示，力学调控的分子工程可在分子尺度上编辑分子结构、操纵官能团引入非共价相互作用，及利用可逆的动态键作为有效的力学耗散能等赋予凝胶材料不同的性能。

在深入研究调控机制时，研究团队发现凝胶的调控机制主要依赖于聚合物网络效应、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，而力学调控的结构工程策略主要是优化体相网络以构建高阶耗散结构，包括溶剂相调控及新颖构筑策略、发挥机械化学/力效应、发展机械互锁结构以及对异质模量进行调节等。

值得一提的是，研究团队融合凝胶材料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。这是基于力学调控在分子工程和结构工程的多种调控策略，研究发现分子和结构尺度的耦合不仅会获得极端力学性能，而且为物理和化学多种属性之间的兼容提供了可操纵手段。

据了解，在力学性能方面，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，尤其在强度、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、光学、生物摩擦学等性质之间的兼容。

协同方法学在互不相容性质的兼容性作用。兰州化物所供图。

聚合物凝胶构筑协同方法学从材料性能和功能两个调控视角出发，为解决材料互不相容性质之间的冲突提供了新思路。未来，该方法对设计制备具有优异性能与特殊功能的新型聚合物凝胶材料具有重要的参考价值和理论指导作用。