近二十年，聚合物凝胶，尤其是水凝胶，其力学强度、韧性、疲劳和黏附等性质的调控和提升已取得巨大进步，体现在先进的力学机制和构造方法。然而，在力学强度和完美弹性之间寻求权衡仍是一个挑战。

图1. 强韧水凝胶和超弹性水凝胶在力学机制和性能方面的差异

近日，中国科学院兰州化学物理研究所提出了耗散能分子工程策略，该策略指强弱相互作用在分子水平上的互补性，即强相互作用（金属配位键）提供力学强度，弱相互作用（氢键）消除屈服；进一步在网络中植入密集的链缠结，从而实现完美的超弹性，填补了仅使用高阶结构（纳米相分离、珍珠项链结构和弹性蛋白）来设计超弹性水凝胶的空白。此外，这两种相互作用在键合时间和键合能之间的互补性提供了具有可控范围的力学性能调控窗口。

图2. 耗散能分子工程策略构建的超弹性水凝胶

据报道，目前超弹性水凝胶的构建策略大致可分为两个模块，一种是引入高阶结构的结构工程策略，利用纳米相分离、珍珠项链结构和弹性体蛋白实现超弹性，这类研究目前还较少。另一种是该研究提出的耗散能分子工程，研究人员通过调控非共价相互作用来抵消在增强增韧过程中导致的屈服现象，进而实现超弹性。

图3. 构建超弹性水凝胶的分子工程和结构工程策略

研究人员通过实验和理论分别验证了采用耗散能分子工程构建的超弹性水凝胶。在实验视角上，超弹性水凝胶拉伸应力应变曲线呈现完美的线性，直至断裂；连续的压缩测试呈现可忽略的滞后和超快时间尺度的回弹(通常在秒内恢复)。在理论视角上，第一性原理计算表面非共价相互作用之间的大结合能差有效为消除屈服提供调控策略，分子动力学也表明这种超弹性归因于弱氢键在小应变阶段作为主导的耗散能，强金属配位键在大应变阶段作为主导的耗散能，热力学稳定的链缠结作为超弹性支撑。其具有优异的拉伸强度和线性弹性变形，同时具有优异的抗溶胀能力、生物相容性、亲水性和类皮肤的弹性模量。因此，该项工作为设计弹性且坚韧的聚合物凝胶提供了具有前途的概念和构筑策略，并为工程凝胶材料的互不兼容的物理和化学性能带来了新的视角。

图4. 耗散能分子工程构筑的超弹性水凝胶的实验验证

图5. 耗散能分子工程构筑的超弹性水凝胶的作用机制

相关研究工作以“Hydrogels with Hyperelasticity Engineered via Molecular Engineering of Dissipative Energy”为题发表在Advanced Functional Materials（2024,2413334，https://doi.org/10.1002/adfm.202413334）上。中国科学院大学博士生许成功为该论文第一作者，中国科学院院士、兰州化学物理研究所刘维民研究员，兰州化物所黄金霞副研究员和湖北大学郭志光教授为共同通讯作者。

该工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的支持。