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  自然界中的生物材料常常使用有限的成分進行構(gòu)筑，其可通過利用多尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其與人工材料相比，具有無與倫比的機械性能。相比之下，合成材料的設(shè)計主要集中在開發(fā)新的化合物，而不能復制大自然生物材料的優(yōu)異特性，如抗疲勞性能。南科大劉吉團隊在《Advanced Materials》上發(fā)表文章《Anisotropically Fatigue-Resistant Hydrogels》，報道一種簡單而通用的策略，實現(xiàn)水凝膠內(nèi)部多尺度微結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，從而提高其疲勞閾值達100倍以上。該策略可被廣泛應用于各種水凝膠材料，包括多糖(藻酸鹽、纖維素)、蛋白質(zhì)（明膠）、合成聚合物（聚乙烯醇）以及相應的聚合物復合材料。本工作中所報道的抗疲勞水凝膠，相對于傳統(tǒng)方法獲得的水凝膠材料具有優(yōu)異的抗疲勞特性，同時兼具成本低、性能高、耐用等優(yōu)點，有望應用于軟體機器人和人造肌肉等領(lǐng)域。

  劉吉團隊報道的方法只需要兩步簡單的工藝（圖1）：首先通過冷凍鑄造實現(xiàn)水凝膠內(nèi)部多尺度微/納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，隨后通過熱處理調(diào)控納米晶域的可控分布，有效的抵抗裂紋拓展。為了驗證抗疲勞水凝膠的設(shè)計原理，該團隊選用醫(yī)用聚合物聚乙烯醇（PVA），獲得高含水量（~ 90%）的水凝膠材料。這類水凝膠沿著冷凍鑄造方向展現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能，可以輕易地提起比自身重3萬多倍的重物，斷裂韌性高達116 kJ m^-2。

圖1. 各向異性抗疲勞水凝膠的制備過程、實物展示和多尺度結(jié)構(gòu)表征。

  如圖2所示，通過定量測量疲勞裂紋的拓展曲線，他們發(fā)現(xiàn)無退火處理的PVA水凝膠的疲勞閾值僅僅只有20 J m^-2，約等于斷裂一層無定形分子鏈，與傳統(tǒng)化學交聯(lián)的PVA水凝膠類似。當PVA水凝膠經(jīng)過冷凍鑄造和退火處理后，其疲勞閾值在垂直取向上為34 J m^-2，而在平行取向上能夠達到1340 J m^-2。同時，提高PVA的水含量能實現(xiàn)疲勞閾值高達2740 J m^-2。此外，該各向異性抗疲勞水凝膠的策略被證實可以應用于其他不同的材料體系，如多糖（藻酸鹽、纖維素）、蛋白質(zhì)（明膠）、合成聚合物（PVA）以及相應的聚合物復合材料。

圖2. 各向異性抗疲勞水凝膠的抗疲勞性能和廣譜性驗證。

  如圖3所示，他們設(shè)計制造了一種水下游泳機器人，采用電動馬達展開手臂，同時將這類各向異性抗疲勞水凝作為力學傳動部分，實現(xiàn)該機器人可以在水下連續(xù)長期地游動。

圖3. 各向異性抗疲勞水凝膠在水下機器人應用場景的百萬次驗證。

  他們在垂直于拉伸方向引入了一個微小的預切口，經(jīng)過超1,000,000次的連續(xù)循環(huán)拉伸（水下游動長達250小時），裂紋依然沒有拓展，表現(xiàn)出前所未有的抗疲勞特性。與之形成鮮明對照，傳統(tǒng)的凍融解凍得到的PVA水凝膠則迅速發(fā)生疲勞斷裂。

  南方科技大學梁翔禹博士為該論文第一作者，劉吉副教授為通訊作者。該研究得到深圳市仿生機器人與智能系統(tǒng)重點實驗室、廣東省普通高校人體增強與康復機器人重點實驗室、廣東省自然科學基金-區(qū)域聯(lián)合基金項目（青年基金）等經(jīng)費支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202102011

招聘信息

  劉吉課題組長期招聘研究助理教授、博士后和研究助理，有意者請將個人簡歷（pdf）等相關(guān)材料發(fā)送至liuj9@sustech.edu.cn郵件標題請注明“姓名+畢業(yè)學校+應聘職位”，期待您的加盟！

  劉吉副教授及團隊簡介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學獨立建組，任博士生導師。主要研究領(lǐng)域為軟材料的極限性能設(shè)計、仿生軟材料、界面粘合、軟材料3D打印以及功能軟材料在組織工程上的應用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)表文章40余篇。先后獲得《麻省理工科技評論》中國區(qū) “35歲以下科技創(chuàng)新35人” (2020)、珠江人才引進高層次人才青年項目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協(xié)會青年學者獎(2017)、瑪麗居里學者(2015)等榮譽。課題組更多信息請看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/