2026-08-27

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水凝胶作为一种重要的仿生材料，其含水量通常超过80%。长期以来，水分子被认为是导致材料力学性能降低的“罪魁祸首”，因为水的增塑效应会减弱聚合物链之间的相互作用，从而加速裂纹扩展，使得水凝胶的强度降低且容易疲劳。现有的增强策略大多集中在聚合物网络的结构设计上，例如增加交联密度、引入双网络或添加纳米材料，却忽视了水作为材料大量组成成分的重要影响。如何在不改变聚合物共价交联结构的情况下，单靠调整水的状态来突破水凝胶的力学瓶颈，一直是该领域亟待解决的难题。

面对这一挑战，浙江大学的曲绍兴教授和韩子龙研究员团队提出了一种创新策略，称为“慢水策略”。该策略通过将水凝胶中大量存在的“自由水”转化为迁移速度较慢的“中间水”，有效抑制了聚合物链的过度运动。在保持聚合物含量为12.5%的条件下，成功地将水凝胶的断裂韧性和疲劳阈值提升了超过十倍。这一成果以“Slow-water strategy for fracture-resistant hydrogels”为题，发在《自然·通讯》上，为仿生材料的增强设计开辟出新的“介质调控”视角。

为验证这一策略的有效性，研究团队以聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶为实验对象，通过添加不同浓度的海藻糖（0 M、0.4 M、1.1 M），调控水分子的状态，分别制备了低、中、高中间水含量的水凝胶（PAAm-L、PAAm-M、PAAm-H）。衰减全反射红外光谱（ATR-IR）显示，随着海藻糖浓度的增加，中间水相关的3345 cm⁻¹吸收峰显著增强，而自由水的3200 cm⁻¹相关峰则明显减弱，表明水分子群体正发生从自由水向中间水的变化。低场核磁共振（LF-NMR）进一步确认水分子的运动能力发生改变，随着中间水含量的增加，质子自旋-自旋弛豫时间T₂持续下降，而相应时间τc则显著增加，证明水分子的迁移速率被明显“减缓”。拉曼光谱峰面积分析也为中间水与自由水的比例提供了定量数据，结合核磁数据可以得出三种水凝胶中自由水、中间水和结合水的具体占比。动态热机械分析（DMA）显示，中间水含量越高，水凝胶的玻璃化转变温度（Tg）也随之升高，直接证实了中间水通过减小聚合物链周围的自由体积，有效限制了链段的运动，为后续力学性能的提升奠定了基础。

在力学性能的表征中，单轴拉伸试验结果显示，PAAm-H的断裂强度达到90 kPa，拉伸倍数为55倍，分别较PAAm-L的25 kPa和15倍提升了约260%和267%。虽然三者的剪切模量基本相同（约3.1 kPa），但采用Rivlin-Thomas方法测得的断裂韧性则从PAAm-L的650 J/m²跃升至PAAm-H的9320 J/m²，提升超过14倍。分析显示，当自由水占比过高时，水分子的快速运动导致聚合物链周围存在大量自由体积，这削弱了链间的相互作用，使得裂纹尖端附近的链段容易滑动或断裂。当中间水比例提升后，链间的相互作用增强，应力传递效率显著提高。从非线性弹性长度和耗散长度的数据来看，耗散长度从2 mm增至24 mm，非线性弹性长度从20 mm增至160 mm，表明确保了材料具有“软而韧”的特性。与传统的网络设计、填料增强和脱水致密化等方法相比，这种策略的增强效果显著。疲劳测试结果则表明，PAAm-H的疲劳阈值达到212 J/m²，较PAAm-L的9.2 J/m²提高了约23倍，并且在最大拉伸比6的循环载荷下经过20,000次加载未见裂纹扩展，显示出优异的耐疲劳性能。策略的普适性通过改用蔗糖进行中间水诱导的实验得到了进一步的验证。