Tough hydrogels enabled by transient entanglements

自愈水凝胶 消散 材料科学 韧性 复合材料 应力松弛 瞬态(计算机编程) 打滑(空气动力学) 聚丙烯酰胺 再分配(选举) 灾难性故障 压力(语言学) 纳米技术 弹性(物理) 断裂韧性 同质性(统计学) 断裂力学 应变能 机械强度 增韧 计算机科学 聚合物 弹性能
作者
Zhaoyang Yuan,Zhenxing Cao,Hao Wang,Haitao Wu,J. S. Zheng,Rongchun Zhang,Jinrong Wu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-026-70194-9
摘要

Achieving high toughness and strength simultaneously in single-covalent-network hydrogels remains a longstanding challenge. Herein, we report a simple yet effective strategy to resolve this strength-toughness conflict by constructing polyacrylamide (PAAm) networks with abundant dangling chains that form transient entanglements. Unlike permanently trapped entanglements, these transient entanglements can slip and fully disentangle upon loading, enabling highly efficient energy dissipation and stress redistribution over a broad range of strains. Besides, these networks exhibit superior homogeneity compared to other structures, effectively mitigating stress concentration. As a result, our single-covalent-network hydrogels exhibit good mechanical properties, including a fracture strain of 5071%, a fracture strength of 1.06 MPa, a fatigue threshold of 1968 J·m⁻², and a fracture energy of approximately 60,000 J·m⁻². Moreover, these hydrogels feature low friction and high wear-resistance. Such a simple yet robust design paradigm effectively overcomes the longstanding strength–toughness trade-off without the complexity of multi-network architectures, opening avenues for next-generation hydrogels in biomedicine, wearable electronics, and other demanding environments. Achieving both high strength and toughness in single-covalent-network hydrogels is a challenge. Here, the authors report a transient entanglement strategy which enables energy dissipation and stress redistribution to achieve strong, tough polyacrylamide hydrogels.
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