近日，海博论坛刘河洲教授，陈玉洁研究员团队联合加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授团队，在阻尼水凝胶的制备与合成领域取得重要进展，提出了一种密集缠结域与空间位阻协同的策略，实现了高阻尼性能水凝胶的开发，并在冲击防护和止振抑振方面取得优异效果。相关成果以“Amplified Friction via a Cooperative Entanglement Domains and Steric Hindrance for Damping Hydrogels”为题，发表于国际顶尖综合期刊《Nature Communications》。博士生庞子墨、李思佳为论文的第一作者。通讯作者为陈玉洁研究员、贺曦敏教授和刘河洲教授。
凝胶材料因其可调的模量和高延展性，在软体机器人、电子皮肤以及生物医学工程等领域具有广阔的应用前景。凝胶的阻尼性能在吸收振动和冲击能量并确保器件的使用寿命方面起着至关重要的作用，日益受到研究人员的关注。利用离子相互作用以及溶剂-聚合物网络相互作用，研究人员已经开发出大量具有优异能量耗散性能的离子凝胶和有机凝胶。然而，离子液体和有机溶剂的实际应用因其显著的环境和生物毒性而受到阻碍。此外，离子液体的高成本也妨碍了其大规模应用。相比之下，水凝胶在环境友好性和较低成本方面具有优势。然而，水分子在聚合物网络内固有的润滑效应会削弱分子间的相互作用，因此，开发具有高阻尼性能的水凝胶一直是一项持续的挑战。
针对上述问题，团队提出了一种基于协同缠结域与空间位阻的摩擦放大策略。该策略能同时增加链滑动的摩擦阻力、扩大摩擦界面并增强链间相互作用。在该设计中，缠结域充当了放大器，显著提高了由空间位阻所施加的链滑动能垒。这种方法不同于传统仅依赖增加二元缠结点密度的策略，后者提供的能量耗散性能有限。本策略使水凝胶的阻尼容量实现了数量级的提升（提高了610倍），同时保持了高阻尼效率（96.3%）和可观的损耗因子。我们进一步证明，该策略能显著改善水凝胶的力学性能，具有广泛的普适性，并在冲击防护和振动抑制方面展现出应用潜力。
总的来说，团队开发了一种摩擦增强策略，该策略能够几何级数地放大链间摩擦，从而显著提升水凝胶的阻尼性能。这一策略依赖于密集缠结域与空间位阻之间的协同配合，团队强调了这两个要素在实现高阻尼效率与高阻尼容量这一理想组合中不可或缺的作用。通过这种协同作用，摩擦耗散可使阻尼容量实现数量级的提升。此外，这种基于域的结构在增强力学性能以及释放存储的链段以缓解应力集中方面发挥着关键作用，赋予了水凝胶卓越的韧性、高模量、抗裂纹扩展能力及抗穿刺性能。这些特性使其非常适用于承重结构部件。在多种场景下进行的冲击与振动测试表明，该材料能有效衰减冲击力、保护易碎物体并快速抑制振动。该策略的普适性已得到验证。未来工作的重点将是开展更系统的研究，探索将该结构与其他水凝胶复合，并考察其相应的力学性能。这些性能的综合优势为开发超强阻尼水凝胶提供了广阔前景。
除此之外，针对目前阻尼凝胶领域发展快，但缺乏系统性综述，针对阻尼凝胶的设计，阻尼测试的基本表征方法归纳不足的问题，团队从凝胶材料的表征方法、能量耗散设计策略及应用场景方面出发，系统归纳了当前阻尼凝胶领域的重要进展与关键挑战。相关成果“Advances in Damping Gel Materials: From Characterization and Design to Applications”为题，发表于国际顶尖材料杂志Advanced Functional Materials上，博士生庞子墨为第一作者，陈玉洁研究员和刘河洲教授为通讯作者。
-上海交通大学海博论坛-
文稿编辑/刘河洲、陈玉洁团队
图文编辑/杨小婵
责任编辑/李逸舟、邵士博