水凝胶由于其良好的生物相容性受到广泛关注，应用于生物医学和软机器等领域。动态化学键交联的水凝胶是一类具有特殊性能的材料，动态键在外界刺激下（如温度，pH，红外或紫外线等），被激活断键或恢复，含动态键的软材料往往具有一些特殊的性能，例如自愈合、可控降解等。研究动态化学键交联的水凝胶的本构关系、断裂和疲劳对于其功能应用具有重要意义。

1. 动态键交换导致的应力释放

  带裂纹的动态水凝胶在拉伸时，裂纹尖端存在明显的应力集中；当施加紫外光刺激时，动态键断开并重新组合，聚合物网络结构重排，其中新形成的高分子链不承受应力，使得裂纹尖端附近的应力集中程度降低，延缓了裂纹的扩展（图1a）。本文以二硫键作为动态化学键，采用聚丙烯酰胺单网络水凝胶，阐释了动态交联水凝胶的光可控力学行为（图1b,c）。从应力松弛曲线与光弹实验中可以看到明显的应力松弛行为（图1d,e） 

2. 动态水凝胶的断裂

2.1光化学反应和粘塑性模型

图 3.（a）动态水凝胶的松弛试验和理论对比（b-c）有无光照下纯剪切试样的拉伸曲线（理论和实验对比）（d）不同加载速率下的拉伸曲线。

2.2动态水凝胶的断裂韧性

3. 动态水凝胶的疲劳断裂

图 7. 疲劳裂纹扩展速率和能量释放率的关系

4.结论

  本文研究了光可控动态化学交联水凝胶的变形和断裂行为，基于光化学反应和塑性流动建立了相应理论模型描述了水凝胶单轴拉伸、蠕变和松弛等条件下的力学行为。研究表明，动态过程对水凝胶的断裂行为有着显著影响，紫外光照射可在一定的加载速率下增加水凝胶的断裂韧性和疲劳阈值。

  论文共同第一作者为哈佛大学博士研究生杨航和西安交通大学航天航空学院研究生陈曦，通讯作者为西安交通大学唐敬达副教授和哈佛大学Joost J. Vlassak 教授。

  论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509622002605