各向异性水凝胶在平行于对齐方向已被证明具有优异的力学性能，但在垂直于对齐方向其机械性能严重恶化。在各向同性水凝胶内构建致密的网络结构时，在应力诱导的情况下能否实现网络结构的各向异性转变？倘若能实现水凝胶网络的定向响应，那么可以推测在水凝胶的任意方向上都将使机械性能得到大幅提升。
导
读
传统水凝胶由于链间相互作用弱，通常机械性能较差。针对这一问题作者基于盐析效应超分子自组装技术，利用纤维素纳米纤维和应力的诱导作用，形成定向超分子网络，从而让水凝胶在各方向均展现出优异延展性和韧性。这一创新材料突破了水凝胶在机械性能上的瓶颈，为未来高性能软材料的设计提供了全新方向，具有广泛的应用潜力。
图 1 图文摘要
传统水凝胶由于结构交联松散，在变形时易于机械失效。尽管使用牺牲键结构改善机械性能的理论已被广泛应用，但要实现水凝胶兼具高机械强度、高可拉伸性和断裂韧性仍极具挑战性。构建各向异性水凝胶可以显著改善这些性能，但其在垂直于对齐方向上的强度较低，并且制造过程往往复杂且耗能。
基于此，研究者提出了一种通过盐析效应实现的自组装策略，将纤维素纳米纤维（CNF）引入超分子网络中，借助CNF的导向作用和盐析引发的链聚集效应，使水凝胶在拉伸过程中形成高取向结构，从而达到超高的断裂应变和拉伸强度（图2）。相比传统的各向异性水凝胶，本研究制备的水凝胶在各方向上均展现出均一的机械性能，且加工简单，具备量产和复杂成型的潜力。
图 2 高性能水凝胶的设计准则
相较于PVA-PVA弱的链间相互作用，基于盐析效应的超分子自组装策略，使PVA-CNF基质间呈现出致密的氢键网络结构（图3）。在盐析和CNF的协同作用下，水凝胶的拉伸应变达7,430%，拉伸强度达3.9 MPa，韧性达141.4 MJ m−3（图4）。CNF在超分子网络中的自组装，有效实现应力耗散和转移，避免了缺口处的应力集中，使得水凝胶的断裂能和疲劳阈值分别达95.7 kJ m−2和3,202.7 kJ m−2（图5）。
图 3 水凝胶的微结构和相互作用分析
图 4 水凝胶的机械拉伸和压缩性能
图 5 水凝胶的抗疲劳性能
基于微观结构观察、分子演变分析和分子动力学（MD）模拟，本研究揭示了在CNF和应力的诱导下，各向同性的超分子网络能够组装为各向异性结构。进一步的拉伸模拟结果表明：CNF能够牢固结合相邻的PVA链，通过链滑动有效地促进机械载荷的消散，从而显著提升拉伸应变性能（图6）。
图 6 水凝胶在拉伸期间的结构演变
总
结
与
展
望
本研究通过盐析辅助纤维素纳米纤维（CNF），成功制备出具有优异机械性能的PVA-CNF超分子网络水凝胶。该水凝胶展现出超高的可拉伸性、机械强度、断裂韧性和疲劳阈值。实验与理论分析表明：CNF引导PVA-CNF定向响应与高密度氢键能量耗散的协同作用，实现了水凝胶的优异可拉伸性与抗疲劳性。所提出的超分子原位自组装策略兼具经济性和高效性，为构建高性能水凝胶材料提供了新的思路，相较于以往的预拉伸和冰模板等方法更具应用前景。
责任编辑
张志萍 河南农业大学
李晓晓 上海同仁医院
DOI：https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2024.100092
引用格式：Wang S., Yu L., Jia X., et al. (2024). Cellulose nanofibril-guided orienting response of supramolecular network enables superstretchable, robust, and antifatigue hydrogel. The Innovation Materials 2(4):100092.
作者简介
刘鹤 中国林业科学研究院林产化学工业研究所，研究员，九三学社社员，博士，博士生导师，主要从事生物质能源与材料的基础及产业化应用研究。入选国家高层次人才计划、江西省“双千计划”人才、“百千万人才工程”省部级人选、国家林业草原局“林业和草原科技创新领军人才”、中国林业科学研究院“青年英才工程”青年领军人才和“中国林科院杰出青年”；获得“茅以升木材科学技术奖”和“梁希青年论文”奖。主持“十四五”国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金青年项目等项目16项；主持云南中烟工业有限公司的横向委托项目1项。在Nature Communications、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Materials Horizons、Green Chemistry、Journal of Materials Chemistry A等国际知名学术期刊发表论文50余篇，总计被引频次3500余次，入选ESI高被引论文5篇；以第一发明人获授权发明专利21件。
网页链接：http://icifp.caf.ac.cn/info/1037/1400.htm
陈朝吉 武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师、国家高层次青年人才。长期从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高附加值循环利用方面的研究工作，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。相关成果发表第一/通讯作者（含同等贡献）论文100余篇，包括Nature/Science正刊3篇, Nature/Science/Cell子刊15篇，44篇论文入选ESI高被引论文，总引用31,000余次，H因子96（Google Scholar）。获科睿唯安“全球高被引科学家”（2021-2023连续三年入选材料科学领域）、斯坦福大学“全球前2%高被引科学家”终身影响力榜单、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、“Advanced Science青年科学家创新奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、 “R&D 100 Awards”等荣誉。担任The Innovation Materials联合创刊人及学术编辑，The Innovation、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Green Carbon、Batteries、Molecules等杂志编委/青年编委，以及中国化学会纤维素专业委员会委员。
网页链接：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm
高恩来 教育部青年长江学者。2018年于清华大学获得固体力学博士学位，2016-2017年在美国德克萨斯大学访学，2018年起在武汉大学力学系工作，现任副教授（博导）。在科研方面，主要从事固体物理力学研究。瞄准关键战略材料高性能化的需求，采用理论指引实验的研究思路，从微观结构与宏观性能关联的基础研究出发，提出“原子刚度”等新型微观力学度量，理论推导出微观度量与宏观性能关系，建立了新型宏观力学性能预报理论，探明了杨氏模量等宏观力学性能的理论极限，设计制备出若干性能显著突破现有记录且接近理论极限的新型物质结构。在Science（4篇）、Nature Communications（9篇）发表SCI论文80余篇，被引4000余次；作为第一起草人制定发布国家标准1部；主持了国家自然科学基金（3项）、国防173计划基金等项目。
网页链接：enlaigao.whu.edu.cn
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