在軟體機器人、電子皮膚和生物醫學工程等前沿領域，凝膠材料因其可調的模量和高延展性而備受關注。然而，水凝膠在實際應用中面臨一個根本性挑戰：水分子在聚合物網絡中的固有潤滑作用會削弱分子間的相互作用，使得開發兼具高阻尼性能和優異力學性能的水凝膠成為持久難題。盡管研究者們已經開發了雙網絡結構、靜電相互作用、氫鍵、相分離等多種策略來提升凝膠的阻尼性能，但通過犧牲共價鍵斷裂來耗散能量往往導致不可逆的網絡破壞，而某些策略甚至以犧牲阻尼容量為代價來提高阻尼效率。同時，高損耗因子并不必然意味著強大的能量耗散能力，因為它還受到聚合物力學性能的約束。開發能夠同時實現高阻尼和強韌力學性能的水凝膠仍然是一項重大挑戰。

針對這一難題，上海交通大學劉河洲研究員、陳玉潔研究員和UCLA賀曦敏教授提出了一種基于協同纏結域和空間位阻的摩擦放大策略。這一策略能夠同時增加鏈滑動的摩擦阻力、擴大摩擦界面并增強鏈間相互作用。與傳統方法僅依賴增加二元纏結點密度不同，該設計中的纏結域作為放大器，顯著提升了空間位阻所施加的鏈滑動能壘。最終，該策略實現了水凝膠阻尼容量的數量級提升（610倍），同時保持了96.3%的高阻尼效率和可觀的損耗因子。此外，該方法還顯著改善了水凝膠的力學性能，展現出廣泛的普適性，并在沖擊防護和振動抑制方面顯示出巨大潛力。相關論文以“Amplified friction via a cooperative entanglement domains and steric hindrance for damping hydrogels”為題，發表在Nature Communications上。

圖1 | 水凝膠摩擦放大策略的概念。 a 對鞋帶系緊過程中摩擦行為的思考。b 處于松弛狀態的聚合物網絡。c 當鏈在應力作用下相互滑移時，產生摩擦并釋放熱量。d 由增強的鏈阻力和纏結密度產生的摩擦耗散行為及相應的力學性能。

圖2 | 摩擦增強水凝膠及對照水凝膠的制備過程。 a 聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（PMOTAC）的制備，其中鏈的摩擦得到增強。b 不含致密纏結的PMOTAC（PMWODE）的制備。c 聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（PAETC）的制備。在分子結構中，紅色代表產生空間位阻的α-甲基，橙色代表疏水性烷基鏈段，藍色代表親水性靜電官能團。

為了揭示這一摩擦增強機制，研究團隊設計了三種對比水凝膠。通過原子力顯微鏡（AFM）圖像可以清晰地觀察到三種聚電解質在凍干條件下的鏈構象行為（圖3a）。聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（PMOTAC）呈現出由較小纏結簇構成的剛性、致密的纏結域，這些剛性域通過較小的簇相互連接。相比之下，在較低初始濃度下合成的無致密纏結域對照樣品（PMWODE）呈現出無域結構的點纏結構象。而使用了位阻較小單體的聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（PAETC），由于缺乏疏水性α-甲基基團，呈現出由鏈連接的較小尺度域，如同珍珠項鏈一般。

進一步的實驗驗證了不同結構帶來的宏觀性能差異（圖3b和3c）。光學圖像顯示，PMOTAC增強水凝膠具有更高的模量，能夠抵抗重力變形而不塌陷。在循環拉伸測試的滯后回線中，PMOTAC樣品呈現出飽滿的紡錘形滯后回線，表明其具有更大的能量耗散能力。PMWODE雖然也呈現紡錘形，但其應力水平顯著較低。而PAETC的滯后回線則嚴重收縮，表明能量損失極小。具體數據顯示，PMOTAC在第一個循環中的阻尼效率達到96.3%±1.9%，五圈循環后每圈衰減率僅為0.9%。最引人注目的是，PMOTAC的阻尼容量在第一循環達到603.6±8.2 kJ/m3，分別是PMWODE和PAETC的24倍和610倍。綜合性能對比（圖3d）顯示，PMOTAC在最大應力、韌性、穿刺力、穿刺能量、斷裂能量、楊氏模量和壓縮應力等多個力學性能指標上均實現了顯著提升。在與現有策略（如超分子網絡、相分離、雙網絡、滑環鏈摩擦等）的對比中（圖3e），這種摩擦放大方法在同時增強阻尼效率和容量方面展現出明顯優勢。

圖3 | 摩擦增強PMOTAC水凝膠及其對照水凝膠。 a 三種凍干聚電解質鏈構象的原子力顯微鏡圖像。比例尺代表200 nm。b 水凝膠的光學圖像。比例尺代表2 cm。c 水凝膠的梯度拉伸循環曲線。i PMOTAC-30 wt%，ii PMWODE-30 wt%，iii PAETC-30 wt%。d PMOTAC-30 wt%在各性能方面的增強效果。數據為均值±標準差，n = 3。e 阻尼性能的Ashby圖。

PMOTAC的增韌行為主要源于以下效應（圖4a）：在施加應力下，聚合物鏈逐漸伸展，當松弛的鏈變得完全繃緊時，它們開始在域內相互滑過，導致最初儲存的鏈段被釋放。空間位阻的存在在這一相對滑動過程中產生顯著的摩擦耗散。在域內，接觸界面、摩擦屏障和相互作用的協同增強導致摩擦能量耗散呈倍增效應。這一機制通過原位拉伸小角X射線散射（SAXS）得到直接證實（圖4b），隨著應變增加，峰值強度降低，d間距從1.45 nm減小到1.41 nm，標志著網絡的伸展和力觸發下鏈從域和簇中的釋放。PMOTAC的強度足以承受70公斤成年人的體重（圖4c），其23.78 MJ/m3的卓越韌性使其與已報道的大多數凝膠相比具有顯著優勢（圖4d）。在抗裂紋擴展方面（圖4e和4f），帶有缺口的PMOTAC樣品實現了近1500%的應變伸長率，且裂紋擴展不是瞬間災難性的。其穿刺性能同樣出色（圖4g），在100 mm/min的速率下，實現了40.5±4.1 N的穿刺力和33.5±3.0 mm的穿刺距離的出色平衡，穿刺能量達到848.9±76.9 mJ。

圖4 | 摩擦增強PMOTAC水凝膠的增韌機制。 a PMOTAC在自然拉伸下的光學照片和相應示意圖。圖像展示了鏈從疇中的滑動和釋放。樣品用羅丹明B染色以便在紫外光下觀察。b PMOTAC在拉伸過程中的原位小角X射線散射測試。c PMOTAC-30 wt%水凝膠的強度能夠承受70公斤的成年人。d 不同水凝膠的韌性與應變關系Ashby圖。e 示意圖說明PMOTAC的抗裂紋擴展能力。f 無缺口和帶缺口樣品的應力-應變曲線。g 抗穿刺測試的力-位移曲線。

該水凝膠在沖擊防護和振動抑制方面展現出卓越的應用潛力。使用分離式霍普金森壓桿（SHPB）系統的評估（圖5a）顯示，隨著撞擊桿速度的增加，真實沖擊應力和應變系統性增加，計算出的沖擊韌性從2000 s?1應變率下的4.02 MJ/m3提升到6000 s?1下的18.13 MJ/m3，增強了4.52倍（圖5b和5c）。落球沖擊測試（圖5d）中，PMOTAC表現出快速的應力波衰減、降低的峰值力和有效的振動阻尼（圖5e和5f）。為展示沖擊防護能力，一個用2毫米厚PMOTAC水凝膠包裹的雞蛋從60厘米高度落下（圖5g），高速攝像顯示雞蛋保持完好，撞擊后只有微小反彈。而在時間分辨加速度振蕩監測中（圖5h和5i），系有PMOTAC水凝膠纖維的物體在撞擊后約0.15秒內即有效抑制了振動，而PAETC纖維系住的物體則表現出約9.82秒的類諧波振蕩，這歸因于PMOTAC纖維通過空間位阻分子網絡內的摩擦相互作用耗散了重物的動能。

圖5 | PMOTAC的沖擊防護和振動阻尼能力。 a 分離式霍普金森壓桿測試裝置。b 不同應變率下的真實壓縮應力-應變曲線。c 計算得到的沖擊韌性。d 落球沖擊測試。e 力信號分析和f 最大沖擊力。數據為均值±標準差，n = 3。g 高速相機拍攝的雞蛋自由落體沖擊圖像。h 水凝膠纖維緩沖的自由落體加速度振蕩的時間分辨曲線。重物質量為20 g，纖維長度為10 cm。i 纖維緩沖重物自由落體振蕩的照片。

該摩擦增強策略的普適性通過多種單體得以驗證（圖6a），包括甲基丙烯酰胺丙基三甲基氯化銨（MPTAC）、丙烯酰胺丙基三甲基氯化銨（ATLC）、甲基丙烯酸磺丙酯鉀（SMAP）和丙烯酸磺丙酯鉀（SAP）。這些水凝膠的循環拉伸曲線呈現出相似的形狀（圖6b），證實了該機制在不同聚電解質中的普遍可行性。在致密纏結域和空間位阻的協同作用下，這些摩擦增強凝膠也實現了顯著升高的模量、倍增的摩擦耗散以及阻尼效率和容量的同步提升（圖6c和6d）。

圖6 | 摩擦增強策略的普適性。 a 單體分子結構。b 水凝膠的梯度拉伸循環曲線。c和d 水凝膠的模量、阻尼效率和阻尼容量對比。數據為均值±標準差，n = 3。

總結而言，本研究提出的摩擦增強策略通過致密纏結域與空間位阻的協同作用，實現了鏈間摩擦的幾何級放大，從而大幅提升了水凝膠的阻尼性能。兩種因素通過協同的“A×B”關系而非簡單的加和作用發揮作用，最終增強效果超越了每種策略單獨貢獻之和。纏結域基架構在增強材料性能、釋放儲存鏈以緩解應力集中方面發揮著關鍵作用，賦予水凝膠卓越的韌性、高模量、裂紋耐受性和穿刺 resistance。未來工作將系統探索將該架構與其他水凝膠集成的復合體系，并研究其力學性能。這種性能組合為開發超強阻尼水凝膠帶來了新的希望。