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Multiscale toughening mechanisms in biomimetic tendon-like hydrogels

增韧 自愈水凝胶 微尺度化学 材料科学 纳米技术 纳米尺度 仿生材料 软质材料 各向异性 计算机科学 复合材料 韧性 物理 数学 数学教育 高分子化学 量子力学
作者
Xiao Guo,Xinyu Dong,Guijin Zou,Haoqi Zhang,Kaiyang Zeng,Huajian Gao,Wei Zhai
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (9): e2424124122-e2424124122 被引量:25
标识
DOI:10.1073/pnas.2424124122
摘要

Mimicking hierarchical structures found in nature, such as nacre and tendon, has led to remarkable successes in the creation of biomimetic materials with exceptional properties. The depth of knowledge derived from nature extends far beyond mere trial-and-error fabrication by providing deep insights into the toughening mechanisms that are integral to natural materials. A key challenge is understanding how these toughening mechanisms can be effectively translated into biomimetic materials. Here, we characterize the multiscale mechanical behavior of tendon-like fibrous hydrogels, unraveling the intricate toughening mechanisms at play across multiple scales-from dynamic molecular interactions and nanoscale fibril sliding, to anisotropic microscale characteristics and macroscopic performance-using a combination of experimental and simulation approaches. Additionally, we address the open question of how hierarchical structures exhibit mechanical properties at different scales, demonstrating that hydrogels, fibrils, and chains take up successively lower levels of strain in a ratio of 11.5:3.2:2. This work establishes a comprehensive framework for exploring nature-inspired materials, marking a significant step forward in the advancement of biomimetic technology.
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