凝胶是由溶剂溶胀的三维聚合物网络。溶剂的存在使凝胶区别于弹性体和塑料，兼具固体（如承载能力）与液体（如物质传输）的特性，从而广泛应用于组织工程、生物粘合剂、能源存储、可拉伸离电学及柔性人机接口等领域。在实际应用中，凝胶往往需要同时具备高弹性（通常表现为低迟滞）与强粘接性能，以分别应对循环载荷下的疲劳问题及界面脱粘的风险。然而，材料同时实现高弹性与强粘接是具有挑战性。

  近期，南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉副教授团队提出一种通用设计准则，用于合成兼具高弹性与强粘接的凝胶材料（图1A）。当凝胶含长悬挂链和良溶剂，“相似相溶润滑”效应使溶剂分子有效分离聚合物链，降低链间摩擦。充足的溶剂使悬挂链发生解缠结，从而呈现高弹性（图1A左）。同时解缠结的长悬挂链能粘接于各类基底，实现有效的载荷传递与能量耗散，形成强粘接性能（图1A右）。

  该工作以“Synergizing network topology and solvent compatibility for gels with hyperelasticity and omniadhesion”为题发表在《Science Advances》上。文章第一作者是南方科技大学力航系薛琪琦研究助理教授（现为南方科技大学海洋高等研究院研究助理教授），合作者为南方科技大学何新宇（现为华中科技大学博士生），西安交通大学雷金成副教授和南方科技大学洪伟教授。

  实现该性能的关键在于高分子网络中富含长悬挂链和充足的良溶剂。然而，为给定聚合物网络匹配良溶剂常因化学结构差异而困难，且相容性深刻影响凝胶力学性能。本文采用简便的一步法合成策略，通过控制聚合动力学，制备出含长悬挂链且溶剂与高分子网络具有相同化学性质的凝胶（图1B），称为“均质凝胶”。在单体溶液中，未固化时储能模量（G''''）低于损耗模量（G"）。固化过程中，单体反应形成高分子链，进而交联成网络。G''''与G"随时间增长，在凝胶点相交，标志初始网络形成；最终在完全固化时达到平台，转化为高缠结的粘弹性弹性体或塑料。中间状态为部分固化，部分单体形成网络，剩余部分作为溶剂保留。其中存在一个时间区间t_HO，其间悬挂链较长却无缠结，此时凝胶同时具备高弹性与强粘接。若固化程度低于t_HO，凝胶交联稀疏，力学性能弱；高于t_HO，则出现悬挂链缠结，凝胶呈现粘弹性。

图1. 高弹性和强粘接凝胶的设计原理

  本文以具有链间静电相互作用的离子凝胶体系为例进行具体说明。合成采用以离子液体单体DT（2-(丙烯酰氧基)-N,N,N-三甲基乙铵双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺，粘度0.19±0.02 Pa·s），共价交联剂HDDA及光引发剂1173组成的前驱体体系（图2A）。通过监测不同交联剂含量下的固化流变曲线，确定凝胶点在~764 s，并在~866 s处观察到损耗因子达到极小值（图2B）。高弹性与强粘接的均质凝胶的合成窗口（t_HO）位于该极小值附近（约860–920 s），其合理性经后续的滞后与粘附测试验证。该均质凝胶的溶剂含量受交联剂用量影响较小，但随固化时间延长而降低，相应的聚合物含量则随之上升，并在~1260 s后达到平衡（图2C）。本工作中，高性能PDT均质凝胶的合成时间设定为900 s，此时溶剂含量为38 wt%。

  对高弹性与强粘接的PDT均质凝胶的力学性能进行表征，表明随交联剂含量增加，材料模量提高而拉伸率下降（图2D）。在循环拉伸测试中，PDT均质凝胶表现出可忽略的迟滞，而对应的完全固化弹性体则呈现显著的迟滞（图2E）。此外，在跨越两个数量级的拉伸速率下，该凝胶均能保持低迟滞（图2F）。通过将多种软材料的迟滞与拉伸性能进行对比（图2G），发现PDT均质凝胶在宽应变范围内的滞后率始终低于10%，性能不仅远优于PDT弹性体，也与广泛应用的聚丙烯酰胺水凝胶、聚二甲基硅氧烷弹性体及其他近期报道的高弹性凝胶相当。在粘附性能方面，PDT均质凝胶对陶瓷、玻璃、金属、弹性体、塑料及木材等多种基底均展现出强而普适的粘接性能。90°剥离测试测得其在各类基底上的粘接能均达到约100 J/m2量级，显著高于PDT弹性体。因此，PDT均质凝胶成功实现了高粘附能与低迟滞这两种通常难以兼得的性能（图2I）。

图2. 合成和力学表征高弹性和强粘接PDT均质凝胶

  本文控制固化时间分别得到三种不同网络（FC网络，PC网络和PC_HO网络）。为探究溶剂对高弹性的影响，本文将PC_HO网络在单体溶液中溶胀至不同溶剂含量。凝胶的迟滞随溶剂含量增加呈单调下降趋势，当溶剂含量达到30 wt%后迟滞稳定低于10%（图3A）。同时，玻璃化转变温度呈现相似变化趋势，并在溶剂含量为30 wt%处出现转折，该转折源于悬垂链的解缠结。本文通过剪切模量μ与聚合物体积分数φ_p的关系验证该机制（图3B）。在聚合物质量分数70 wt%处出现明显转折，当聚合物体积分数小于71%时，两者之间的幂律指数为0.56，与仿射溶胀模型预测吻合，表明此时悬垂链的缠结作用不显著；当聚合物体积分数大于71%时，因悬垂链缠结存在，幂律指数急剧升至4.71。这表明高弹性源于充足的良溶剂使悬垂链解缠结。微观流变学测试进一步支持该结论。当溶剂含量超过30 wt%时，储能模量在0.1–10 rad/s频率范围内基本不变（波动小于20%），表现出频率无关性（图3C）；损耗模量遵循幂律频率依赖关系G''''''''～ω^α，其中指数α与网络尺寸及悬垂链有效长度相关，并随溶剂含量增加而升高，在溶剂含量超过30 wt%后趋于稳定。

  强粘接性能源于凝胶表面存在的长悬挂链。这些长悬挂链从网络中充分解缠后，可吸附于各类基底，形成强相互作用从而产生强粘接。本文将三种聚合物网络溶胀至溶剂含量为 30 wt%，经不同时间弛豫后测量其与亚克力板之间的粘接能。所有体系的粘附能均随弛豫时间延长而增加（图3E），其中PC_HO网络因具有最长的悬挂链而表现出最高的粘接能。从微观层面，本文采用Curro?Pincus方法研究了PC_HO网络在不同弛豫时间下损耗模量随频率的变化。指数α随弛豫时间增加而增大，表明悬挂链逐渐解缠结（图 3F）。解缠结的长悬挂链是实现强粘附的关键。所以，当良溶剂含量超过临界值时，具有长悬挂链的网络可同时实现低迟滞与高粘接（图3G）。

图3. 高弹性和强粘接的机理

  高弹性和强粘接凝胶的合成原理具有通用性。本文进一步通过聚阴离子与中性聚合物体系加以验证。对于聚阴离子体系，选用单体为1-乙基-3-甲基咪唑(3-磺丙基)丙烯酸酯（ES），凝胶点在~56 s，t_HO在59至61 s之间（图4A）。高弹性和强粘接的PES均质凝胶的合成时间设定为~60 s，此时溶剂含量约40 wt%。PES均质凝胶表现出可忽略的迟滞，而相应的PES弹性体则呈现明显迟滞（图4B）。与PES弹性体相比，PES均质凝胶在各基底上的粘接能均显著提升（图4C）。对于中性聚合物体系，选用单体为甲基丙烯酸3-(三甲氧基硅基)丙酯（TMSPMA），凝胶点在~977秒，t_HO在2000至2645 s之间（图4D）。高弹性和强粘接的PTMSPMA均质凝胶的合成时间为~2400 s，溶剂含量约28 wt%。同样，与对应弹性体相比，PTMSPMA均质凝胶表现出更低的滞后性和更高的粘接性能（图4E、4F）。所以，通过在聚阴离子与中性聚合物体系中成功复现高弹性和强粘接性能，进一步证实了该设计原理的普适性。

图4. 其他高弹性和强粘接均质凝胶

  文章链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aec7718