由瞬态纠缠实现的高强度水凝胶

可拉伸凝胶为何重要

想象一种永不撕裂的软性隐形眼镜、一种多年无缝滑动的关节植入物，或一种能随皮肤弯曲和扭动而不断裂的可穿戴传感器。所有这些都依赖于水凝胶——富含水分、类似果冻的材料。然而，大多数水凝胶面临一个顽固的权衡：把它们做得坚固会变得脆弱，而保持可拉伸性又容易导致撕裂。本文提出了一种简单的新方法来打破这一权衡，制备出既异常坚韧又极为耐久的水凝胶。

从简单凝胶到智能网络

传统水凝胶由在固定交联点连接的长分子链构成，形成柔软的分子网。在常规设计中，增加这些交联点能够提高强度，但也会将网络锁死，使其在受拉时断裂而不是延展。为了解决这一问题，许多研究者构建了更复杂的多层凝胶，结合多种网络或特殊化学键。这些设计可以奏效，但制造难度大且常常需要定制的成分。

一种新的分子打结方式

作者则把注意力放在链段彼此穿梭的方式——它们的“纠缠”上。通俗地说，这些就像把线绳堆在一起时形成的结和环。早期工作使用的是永久性纠缠：链条可以稍微移动但不能完全滑脱，这限制了材料在失效前能吸收的能量。在这项研究中，研究人员设计了一种由大量“悬垂”链端填充的聚丙烯酰胺凝胶，这些链端会围绕邻近链穿进又穿出。通过一种特殊的线性交联分子促使侧链形成，但不将一切僵化固定，从而产生这些暂时的纠缠或瞬态纠缠。

滑动结如何增强凝胶

为了观察这种新网络的行为，团队将力学测试与先进的分子运动测量结合起来。应力松弛测试表明，内部连接的大部分表现为可随时间重排的临时连接，而只有一小部分是永久的化学锚点。核磁共振实验区分出两类不同的分子约束：由永久交联形成的紧束区域和由瞬态纠缠产生的更柔性的区域。光散射测量显示，这些纠缠还抚平了网络中的不规则性，使材料更均匀、更透明，减少了易于起裂的薄弱点。

卓越的强度、延展性与耐久性

在拉伸时，具有瞬态纠缠的凝胶远超典型水基材料的表现。样品可被拉伸到原长的30到50倍以上，断裂应变超过5000%，强度约为1兆帕，这在该类凝胶中极为罕见。重要的是，通常“更强但更不韧”的规律在很大程度上被克服：即便强度增加，撕裂所需的能量仅发生温和变化。该凝胶还耐重复加载，其疲劳阈值（每循环能承受而不会导致裂纹扩展的能量）超过许多其他高韧性水凝胶，甚至优于天然橡胶。在压缩下，它们也能承受强烈挤压并能弹回本形。

光滑且持久的表面

富密度的亲水悬垂链不仅增强了内部强度，还形成了超顺滑的表面。作为涂层使用时，这些水凝胶的摩擦系数比传统凝胶低好几倍，甚至低于常见塑料。在耐磨测试中，常规水凝胶在数小时后失效，而具有瞬态纠缠的版本保持完好。涂覆于医用级导管上的涂层在水中显著降低了滑动阻力，这归功于表面被稳定困住的一层水，起到了微观润滑膜的作用。关键是，这层水合层寿命较长，使涂层在多次运动循环中保持滑爽。

对未来软材料的意义

通过精细调控聚合物链如何纠缠并在受力时释放，作者展示出一种简单的单网络水凝胶既能非常坚固又能非常韧，同时还能抗疲劳和降低摩擦。他们的方法不依赖复杂的多层结构，而是利用瞬态的分子结来分散应力并在损伤发生前耗散能量。这一设计原则可推广到许多其他凝胶体系，为更安全、更耐用的软体器件开辟道路——从医用涂层与柔性电子到人工组织与低摩擦密封件——在需要同时具备极高可伸展性与耐久性的场景中尤其有前景。

引用: Yuan, Z., Cao, Z., Wang, H. et al. Tough hydrogels enabled by transient entanglements. Nat Commun 17, 4145 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70194-9

关键词: 水凝胶, 聚合物网络, 材料韧性, 可穿戴设备, 润滑涂层