兼具高韧性和高强度的机械性能优良的水凝胶在可穿戴电子产品、生物工程以及三次采油等众多领域都备受青睐。然而，同时实现这两种性能是一项重大挑战，因为通常认为韧性和强度在材料中是相互排斥的。提高强度通常需要更密集的交联网络，但这往往会导致延展性和韧性降低，这使得在单一共价交联的聚丙烯酰胺（PAAm）网络中同时实现高强度和高韧性颇具挑战性。

  近日，四川大学高分子科学与工程学院吴锦荣教授、郑静副教授团队报道了一种具有非固定化学交联点网络和瞬态缠结网络并存的 PAAm水凝胶。在这项工作中，研究人员通过乙烯基化大分子交联剂代替传统化学交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA），在引入化学交联的同时，形成大量的悬垂链，这些悬垂链可互相耦合，形成大量的瞬态缠结点，在应变时发生滑移和解缠结，起到能量耗散的作用。同时化学交联点存在于大分子交联剂链上，可以随着大分子交联剂链的形变而调整位置，优化应力分布（图1）。这项研究解决了单一共价网络水凝胶的强度-韧性矛盾，系统研究了PAAm水凝胶网络中缠结与交联的贡献，为开发强韧材料提供了新路径。

  2026年3月5日，该工作以“Tough hydrogels enabled by transient entanglements”为题发表在《Nature Communications》上。文章的通讯作者为四川大学吴锦荣教授和郑静副教授。该研究得到华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院张荣纯教授的支持。该研究得到国家自然科学基金委，“十五五”国家科技重大专项的支撑。

图 1 ∣ 三种类型的水凝胶的原理图设计。a) 普通水凝胶、永久缠结水凝胶和瞬态缠结水凝胶的内部聚合物链排列方式。b) s瞬态缠结水凝胶网络的局部结构式，其中大分子交联剂用红色表示，悬垂的 PAAm 链用蓝色表示，交联的 PAAm 链用绿色表示。（c-e）普通水凝胶 c）、永久缠结水凝胶 d）和瞬态缠结水凝胶 e）在变形时在小和大应变下所表现出的不同断裂行为。f) 瞬态缠结水凝胶以及其他已报道的具有韧性的水凝胶的韧性（Γ，即断裂能）与拉伸应变的Ashby图。g) 带有缺口的瞬态缠结水凝胶（缺口宽度约为样品宽度的 80%）拉伸至 3500%的照片。

  为了验证瞬时缠结网络结构，研究人员进行了一系列测试。应力松弛出现时间依赖并达到平台，平台值G(t)/G₀用于表征永久交联占比；在高含水条件下，PAAm 链间氢键贡献被弱化，动态约束主要归因于瞬态缠结；双量子固体核磁（1H DQ NMR）在不同条件下呈现两个特征峰，指示化学交联网络与缠结网络的并存，并通过溶胀调控使缠结逐步解开来区分两者来源。Mooney–Rivlin 分析给出 G_c与G_e两个常数，分别对应永久交联与缠结对弹性的贡献，结果显示缠结贡献占主导；动态光散射的时间相关函数进一步表明瞬态缠结网络尺度上具有更高均一性，并出现与缠结相关的慢弛豫模式。

图2 网络结构的表征。a) 不同交联剂含量m的瞬态缠结水凝胶的归一化应力松弛曲线，b) 溶胀比和交联密度。b)中带误差棒的数据以平均值±标准差表示，n=3次重复。不同c)溶胀比和d)m值的瞬态缠结水凝胶的DQ曲线。e) 约化应力作为倒数拉伸比的函数，以及f,g)三种类型水凝胶对应的Mooney-Rivlin常数。f)中带误差棒的数据以平均值±标准差表示，n=3次重复。h) 三种类型水凝胶的静态不均匀性，以及i)衰减时间分布函数G(Γ)。h)中带误差棒的数据以平均值±标准差表示，n=3次重复。

  得益于瞬态缠结在加载过程中持续“解缠—再分配”的耗能机制，所制备的单一共价网络 PAAm 水凝胶在力学上实现了强韧协同：断裂应变 5071%、断裂强度 1.06 MPa、疲劳阈值 1968 J·m^-2，断裂能约 6.0×10⁴ J·m^-2。进一步地，研究人员用强度–韧性标度关系展示三类网络的差异：常规水凝胶呈现更强的强度–韧性冲突，而瞬态缠结水凝胶的冲突显著减弱（标度指数更“平缓”），意味着在强度提高的同时韧性保持更稳定。为表征真正的抗疲劳能力，研究人员通过不同能量释放率幅值下的裂纹扩展速率测定疲劳阈值，并在“疲劳阈值–断裂能”Ashby 图中与多类经典水凝胶体系对比。结果显示：瞬态缠结水凝胶的疲劳阈值显著高于天然橡胶、永久缠结水凝胶与常规水凝胶等参照体系，并优于多数已报道强韧水凝胶。除力学外，本研究还展示了瞬态缠结网络带来的界面优势：由于表面富集的亲水悬垂链，水凝胶表现出低摩擦系数，展现了瞬态缠结水凝胶在润滑涂层领域的潜在应用。

图3 力学性能的表征。a) 三种类型水凝胶的拉伸应力-应变曲线，瞬态缠结水凝胶为LMC-9.6-AAm-4.2。b) 带缺口和无缺口水凝胶的力-位移曲线，以及c) 断裂能与不同交联剂含量和单体浓度n的关系图。d) 三种类型水凝胶的两组数据在强度与韧性平面上的分布。e) 水凝胶的疲劳阈值，由每加载循环的裂纹扩展与能量释放率关系图确定，以及f) 瞬态缠结水凝胶、其他已报道韧性水凝胶和天然橡胶的疲劳阈值与韧性的Ashby图。(g-i) 不同交联剂含量瞬态缠结水凝胶的拉伸应力-应变曲线g)及相应的拉伸强度和模量h)、断裂应变和断裂功i)参数。h)和i)中带误差棒的数据以平均值±标准差表示，n=3次重复。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70194-9