在航空航天、國防裝備和電子器件防護等關鍵領域，材料抵御突發(fā)機械沖擊的能力直接關系到系統(tǒng)安全與人員生命。傳統(tǒng)抗沖擊材料，如工程泡沫和纖維復合材料，雖然能夠通過塑性變形、可控斷裂等不可逆過程耗散能量，但其固有的硬度和剛性難以滿足日益增長的軟體應用需求。水凝膠作為一種富有潛力的軟材料，近年來在柔性電子、軟體機器人和生物醫(yī)學工程領域展現(xiàn)出廣闊前景。然而，絕大多數(shù)針對高強度水凝膠的研究都集中在準靜態(tài)條件下的力學行為，而非真實沖擊場景。在高應變率加載下，水凝膠內(nèi)部固有的松散連接網(wǎng)絡難以實現(xiàn)有效的應力傳遞和能量耗散，同時水分子的溶劑化效應會進一步破壞聚合物鏈間的相互作用，這構成了水凝膠抗沖擊性能提升的核心挑戰(zhàn)。

針對這一難題，新加坡國立大學翟瑋教授團隊提出了一種巧妙的離子耦合策略，成功開發(fā)出一種具有卓越抗沖擊性能的復合水凝膠。該復合水凝膠由聚乙烯醇（PVA）基體、殼聚糖-海藻酸鈉納米纖維（CSNFs）增強網(wǎng)絡以及作為多功能離子耦合劑的檸檬酸鈉（SC）構成。研究顯示，SC通過多重機制協(xié)同增強了復合體系的各個組分：其檸檬酸根離子通過霍夫邁斯特效應強化了PVA基體的結晶度；同時，通過去溶劑化和靜電交聯(lián)作用加固了CSNF網(wǎng)絡；更重要的是，它顯著改善了纖維與基體之間的界面結合，實現(xiàn)了高效應力傳遞和能量耗散。最終制備的復合水凝膠在7000 s?1的高應變率下，展現(xiàn)出驚人的426.7 MPa抗沖擊強度和106.4 MJ m?3的沖擊韌性，這一性能甚至超越了工業(yè)標準的工程塑料，如增強聚碳酸酯（PC）和Kevlar織物復合材料。相關論文以“Superior Impact-Resistant Composite Hydrogels Through an Ionic Coupling Strategy”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

圖1 抗沖擊復合水凝膠制備策略示意圖。a) 超聲誘導組裝制備殼聚糖-海藻酸鈉納米纖維（CSNFs）。b) 使用檸檬酸鈉的離子耦合策略協(xié)同增強CSNF-PVA復合水凝膠。c) 通過溶劑蒸發(fā)形成層狀微觀結構。d) 抗沖擊水凝膠的分級復合結構，包括溶劑蒸發(fā)形成的層狀微觀結構、共增強的纖維和基體網(wǎng)絡、增強的纖維-基體界面以及分子水平的相互作用。

為了驗證其抗沖擊性能，研究團隊采用了分離式霍普金森壓桿（SHPB）進行測試。結果顯示，隨著加載速率增加，CPS水凝膠的沖擊應力和應變均顯著增長，表現(xiàn)出強烈的應變率敏感性，這意味著它能通過有效的能量耗散適應不同沖擊條件。在最高應變率7000 s?1時，其性能超越了大多數(shù)已報道的抗沖擊水凝膠和彈性體。更為直觀的是，一片僅1毫米厚的CPS水凝膠，即可保護脆性玻璃板在0.5米高度落下的鋼球撞擊中完好無損（如圖2d所示）。在落球沖擊測試中，相比于純PVA和未加SC的CP水凝膠，CPS水凝膠將峰值力從3.22 N降至2.34 N，減少了27.4%，同時將沖量（力-時間積分）幾乎減半至0.12 N·s，充分證明了其卓越的力衰減和動量耗散能力。進一步的動態(tài)力學分析揭示，CPS水凝膠的損耗因子tanδ高達0.23，是純PVA水凝膠的5倍以上，這從微觀層面證實了其阻尼能力的巨大提升。

圖2 卓越的抗沖擊強度和阻尼能力。a) 分離式霍普金森壓桿裝置示意圖。b) CPS水凝膠在遞增應變率下的沖擊應力-應變曲線。c) 與文獻報道的聚合物材料的抗沖擊強度和韌性對比。d) 落鋼球沖擊測試顯示1 mm厚的CPS水凝膠對玻璃板的保護效果。e) PVA、CP和CPS水凝膠落球沖擊測試的力-時間曲線（下落高度：63.5 cm），以及峰值力、峰值力降低和沖量的定量比較。f) PVA、CP和CPS水凝膠在0.1至100 Hz頻率范圍內(nèi)的儲能模量（G'）和損耗模量（G''）及g) 損耗因子。

在準靜態(tài)力學性能方面，CPS水凝膠同樣表現(xiàn)卓越。通過系統(tǒng)的單軸拉伸測試發(fā)現(xiàn)，其力學性能從PVA到CP再到CPS逐步提升。純PVA水凝膠的拉伸強度僅為4.7 MPa，斷裂應變?yōu)?30%；引入CSNFs后，CP水凝膠的強度提升至9.7 MPa，應變達到460%；而經(jīng)SC處理后，CPS水凝膠的拉伸強度達到了驚人的54.2 MPa，斷裂應變高達590%，韌性更是達到了150 MJ m?3。與原始PVA水凝膠相比，強度和韌性分別提升了一個數(shù)量級以上（11倍和23倍）。這種同時提升強度和韌性的組合在材料設計中極具挑戰(zhàn)，因為高剛度通常意味著分子鏈運動受限，能量耗散能力下降。此外，通過拉伸誘導取向，研究團隊還制備了取向CPS水凝膠（OCPS），其拉伸強度進一步提升至76.0 MPa。循環(huán)拉伸測試顯示，CPS水凝膠具有顯著的遲滯回線（遲滯系數(shù)71%），表明其存在超越PVA本征粘彈性的獨特能量耗散機制。其優(yōu)異的抗穿刺性能也同樣令人矚目，最大穿刺力達107.6 N，吸收能量1.57 J，均為純PVA水凝膠的9倍以上。掃描電鏡觀察其斷裂面，發(fā)現(xiàn)了極其粗糙且不規(guī)則的形貌，伴有層狀撕裂、明顯的纖維橋接和拔出，這些都是多重能量耗散機制的直接證據(jù)。

圖3 卓越的準靜態(tài)力學性能。a) PVA、CP和CPS水凝膠的典型拉伸應力-應變曲線。b) PVA、CP和CPS水凝膠的楊氏模量和韌性。c) CPS和OCPS水凝膠的拉伸強度和斷裂應變與文獻報道的堅韌水凝膠對比。d) 與文獻報道的水凝膠的韌性和拉伸強度對比。e) PVA和f) CPS在遞增最大應變下的循環(huán)拉伸應力-應變曲線。g) 穿刺測試的力-位移曲線。h) PVA、CP和CPS水凝膠的穿刺力和能量對比。i,j) CPS水凝膠在兩種不同放大倍數(shù)下的斷裂表面形貌，顯示出粗糙的形態(tài)、層狀撕裂和纖維拔出。

研究團隊深入探究了SC的多重增強機制。差示掃描量熱法（DSC）和X射線衍射（XRD）分析表明，SC的霍夫邁斯特效應顯著提高了PVA基體的結晶度，CPS水凝膠的熔融溫度（Tm）從CP的224°C提升至231°C，結晶峰強度也大幅增加。小角X射線散射（SAXS）進一步證實，SC促進了PVA鏈的緊密堆積，形成了更完善的晶區(qū)結構。對于CSNF網(wǎng)絡，X射線光電子能譜（XPS）檢測到了401.8 eV處的新峰，這對應于質(zhì)子化氨基（-NH??）的形成，證實了SC的羧酸根與CSNF氨基之間產(chǎn)生了強烈的靜電相互作用。密度泛函理論（DFT）計算量化了這些分子間作用力：CSNF與SC之間的結合能最高，達到-18.0 kcal mol?1，遠超CSNF-PVA（-12.1 kcal mol?1）和PVA-PVA（-8.0 kcal mol?1）的氫鍵結合能，這為SC作為高效“離子耦合劑”提供了理論依據(jù)。

圖4 SC對基體和纖維網(wǎng)絡的共增強效應。a) PVA、CP和CPS水凝膠的DSC曲線，b) XRD譜圖，c) SAXS譜圖。d) CP和CPS水凝膠的N 1s XPS譜圖。e) CPS水凝膠中分子相互作用的示意圖。f,g) 組分間結合能的DFT計算，包括PVA-PVA氫鍵、CSNF-PVA氫鍵和CSNF-SC靜電相互作用。

最后，為了揭示CPS水凝膠在動態(tài)載荷下的界面行為，研究團隊進行了分子動力學（MD）模擬。他們建立了一個非線性剪切滯后模型，模擬了納米纖維與PVA基體之間的相對滑動。模擬結果清晰地展示了典型的“粘-滑”界面動力學行為：在“粘”階段，界面緩慢滑動并積累應力；在“滑”階段，應力突然釋放。與CP水凝膠相比，SC介導的界面（CPS）能夠承受更高的剪切應力才發(fā)生滑移，并且在每次滑移事件后的應力降更小，表明其界面能更快、更有效地進行“脫粘-再鍵合”的動態(tài)過程。這種在分子尺度上增強的界面相互作用，在介觀尺度上轉(zhuǎn)化為集成纖維網(wǎng)絡的協(xié)同作用、纖維拔出和界面滑移，共同貢獻于應力的重新分布和能量的耗散，最終賦予了水凝膠宏觀上卓越的抗沖擊性能。

圖5 增強的界面能量耗散。a) CPS水凝膠在變形過程中的界面滑動示意圖。b) CP和c) CPS水凝膠的分子動力學模擬模型。d) CP和CPS水凝膠的界面位移曲線和e) 應力曲線。f) CPS水凝膠在剪切過程中界面滑動動力學的模擬快照。

綜上所述，這項研究成功開發(fā)了一種基于檸檬酸鈉離子耦合策略的復合水凝膠，通過協(xié)同增強聚合物基體、納米纖維網(wǎng)絡及其界面，實現(xiàn)了卓越的抗沖擊性能。其在高應變率下的沖擊強度與韌性超越了許多高性能固體聚合物材料，同時保留了軟材料的優(yōu)異拉伸性能。通過結合實驗與多尺度模擬，該工作不僅揭示了水凝膠內(nèi)部從分子到宏觀尺度的層級能量耗散機制，更提出了一種簡單而強大的材料設計范式。這種集強度、韌性和阻尼能力于一體的新型水凝膠，為軟材料在沖擊防護、減震和能量吸收等極端條件下的應用開辟了全新機遇，有望應用于下一代柔性裝甲、高性能運動護具以及易損電子器件的可靠保護。