A strategy for tough and fatigue-resistant hydrogels via loose cross-linking and dense dehydration-induced entanglements

自愈水凝胶 脱水 韧性 刚度 断裂韧性 限制 复合材料 材料科学 材料设计 计算机科学 纳米技术 化学 机械工程 高分子化学 生物化学 工程类
作者
Danming Zhong,Zhicheng Wang,Junwei Xu,Junjie Liu,Rui Xiao,Shaoxing Qu,Wei Yang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:21
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50364-3
摘要

Abstract Outstanding overall mechanical properties are essential for the successful utilization of hydrogels in advanced applications such as human-machine interfaces and soft robotics. However, conventional hydrogels suffer from fracture toughness-stiffness conflict and fatigue threshold-stiffness conflict, limiting their applicability. Simultaneously enhancing the fracture toughness, fatigue threshold, and stiffness of hydrogels, especially within a homogeneous single network structure, has proven to be a formidable challenge. In this work, we overcome this challenge through the design of a loosely cross-linked hydrogel with slight dehydration. Experimental results reveal that the slightly-dehydrated, loosely cross-linked polyacrylamide hydrogel, with an original/current water content of 87%/70%, exhibits improved mechanical properties, which is primarily attributed to the synergy between the long-chain structure and the dense dehydration-induced entanglements. Importantly, the creation of these microstructures does not require intricate design or processing. This simple approach holds significant potential for hydrogel applications where excellent anti-fracture and fatigue-resistant properties are necessary.
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