引 言

抗冲击材料在防护结构、柔性电子、软体机器人和生物医用器件中具有重要意义。其本质在于强承载网络与高效能量耗散机制的协同。然而，对于水凝胶这类软材料而言，这一目标尤为难以实现：其内部网络通常较为疏松，难以在冲击载荷下实现快速有效的应力传递；与此同时，水的溶剂化效应会主导并扰乱聚合物链之间的相互作用，进一步限制水凝胶在冲击载荷下的应力传递与力学承载能力。因此，如何在保持材料柔软特性的同时，实现承载网络强化与能量耗散机制增强的协同，成为水凝胶面向高抗冲击应用的核心挑战。

针对这一挑战，新加坡国立大学翟玮课题组提出了一种简便高效的离子偶合策略：以柠檬酸钠作为多功能离子偶合剂，在壳聚糖-海藻酸钠纳米纤维（CSNFs）增强的PVA复合水凝胶中，同时强化基体、纤维网络及其界面相互作用，实现高效应力传递与能量耗散。

研究表明，柠檬酸钠在该体系中发挥三重作用：一是通过 Hofmeister 效应增强PVA基体结晶；二是通过去溶剂化和静电交联强化CSNF网络；三是提升纤维-基体界面相互作用，从而构建协同增强的复合网络与层状微结构。

得益于这一设计，所得CPS复合水凝胶表现出优异的动态与静态力学性能：在 7000 s-1 高应变率冲击下，其冲击强度达426.7 MPa，冲击韧性达106.4 MJ m⁻³；在准静态拉伸下，其拉伸强度达54.2 MPa，断裂应变达590%。同时，材料还表现出突出的阻尼能力，损耗因子提升至 0.23，显著优于纯PVA水凝胶，该水凝胶在落球冲击测试中可显著降低冲击传递，其中峰值力下降 27.4%，冲量几乎减半，展现出良好的缓冲防护能力。分子模拟表明，柠檬酸钠介导的强界面作用可诱导明显的“粘滑”耗能行为，通过界面相互作用的动态重构过程持续耗散能量，这是材料兼具高强度与高抗冲击性的关键原因之一。

该研究为高性能抗冲击软材料的设计提供了新思路，也为水凝胶在冲击防护、阻尼减振和能量吸收等领域的应用开辟了新方向。相关成果近日以 “Superior impact-resistant composite hydrogels through an ionic coupling strategy” 为题发表在《Advanced Materials》上，新加坡国立大学博士后卓浩（现华南理工大学副教授）和博士后刘曲洋为共同第一作者，通讯作者为新加坡国立大学翟玮助理教授。

主要研究内容

图1. 抗冲击复合水凝胶的设计策略。

复合水凝胶以壳聚糖-海藻酸钠纳米纤维为增强网络、PVA水凝胶为基体，并引入柠檬酸钠作为多功能离子偶合剂构建而成。SC在该体系中发挥三重作用：一方面通过 Hofmeister 效应促进PVA链缔合并增强基体结晶；另一方面通过去溶剂化作用和静电交联强化CSNF网络；同时进一步增强纤维-基体界面的相互作用。由此，材料形成了协同增强的复合网络与层状微观结构，实现了高效的应力传递与能量耗散。

图2. 复合水凝胶的抗冲击性和阻尼性能。

分离式霍普金森压杆（SHPB）测试表明，CPS复合水凝胶在高应变率下表现出优异的抗冲击性能。在 7000 s-1 下，其冲击强度达到 426.7 MPa，冲击韧性达到 106.4 MJ m-3，整体性能优于绝大多数已报道的抗冲击水凝胶和弹性体，性能超过聚碳酸酯、聚氯乙烯等工程塑料。进一步的落球冲击测试表明，CPS水凝胶可显著降低冲击过程中的力与动量传递，其中峰值力可降低 27.4%，冲量降至近一半，体现出优异的冲击缓冲与能量耗散能力。

图3. 复合水凝胶拉伸强度与韧性的协同提升

在准静态拉伸条件下，CPS复合水凝胶表现出优异的综合力学性能，其拉伸强度达到 54.2 MPa，韧性达到 150 MJ m-3，较纯PVA水凝胶分别提升超过 11倍 和 23倍。材料在显著增强强度的同时，仍保持较高的断裂应变和韧性，体现出承载能力与能量耗散能力的协同提升。

图4. 去溶剂化与静电交联协同增强凝胶网络

深入的机制研究表明，SC在复合体系中同时强化了PVA基体和CSNF纳米纤维网络。对PVA基体而言，SC通过 Hofmeister 效应削弱链周围的水合作用，促进PVA链缔合与结晶，提高基体结晶度；对CSNF网络而言，SC不仅通过去溶剂化作用增强纤维间关联，还通过柠檬酸根与氨基之间的静电作用引入额外离子交联，从而提升纳米纤维网络的稳定性和承载能力。DSC、XRD、XPS及DFT计算结果共同证明了这一协同强化机制。

图5. SC介导界面相互作用及其能量耗散机制的分子动力学模拟

分子动力学模拟进一步揭示了SC介导的纤维-基体界面在变形过程中的耗能机制。在剪切作用下，CSNF与PVA之间会发生相对滑移，并在界面处产生显著的剪切应力与分子间摩擦。与CP相比，含SC的CPS体系表现出更高的界面最大剪切应力，说明SC介导的界面能够承受更强的应力传递；同时，其滑移过程中应力跌落更小，表明界面分子键在破坏后能够迅速重组。该过程表现出典型的“粘滑”行为，即界面在“黏附—滑移”交替过程中，通过界面相互作用动态解离与重构持续耗散能量，从而赋予材料优异的耗散能力和抗冲击性能。

总 结

本研究提出了一种基于柠檬酸钠的离子偶合策略，实现了复合水凝胶中凝胶基体、纳米纤维网络及其界面的协同强化，从而有效兼顾了承载能力与能量耗散能力。结合分子层面的实验表征与理论模拟，研究阐明了离子偶合在增强PVA基体、强化CSNF网络以及优化纤维-基体界面中的关键作用，揭示了材料获得高强度、高韧性和优异抗冲击性能的内在机制。该工作为高性能力学水凝胶的设计提供了新的思路，也为软材料在冲击防护、阻尼减振和能量吸收等领域的应用展现出良好前景。

作者简介

卓浩，2022年12月加入翟玮课题做博士后，现为华南理工大学副教授。

他的研究主要围绕生物质基高分子材料、仿生结构材料与高性能软物质开展，聚焦水凝胶、纳米纤维复合材料、碳材料的力学增强与功能化应用，致力于推动其在冲击防护、柔性器件和储能材料等领域的应用。其中以第一作者或通讯作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Acs. Nano., J. Mater. Chem. A, Small, Green Chemistry等Top期刊上发表多篇论文。

个人学术主页：

https://scholar.google.com/citations?hl=zh-CN&user=FjX2X3EAAAAJ

https://www.researchgate.net/profile/Hao-Zhuo-5?ev=hdr_xprf

刘曲洋，2020年8月加入翟玮课题组攻读博士，现为课题组博后。

他的研究主要围绕挤出直写3D打印技术，以此制备具有多尺度结构的仿生材料，包括多孔陶瓷、水凝胶以及复合材料，进而探究工艺-结构-性能之间的相互关系。同时，他的研究兴趣还包括其他3D打印技术及冷冻铸造等材料制备工艺。相关成果可应用于轻质结构材料、生物组织工程、柔性电子等领域，并已发表于 Nat. Commun., Adv. Mater., Small, Compos. B: Eng., Addit. Manuf. 等国际期刊。

个人学术主页：

https://scholar.google.com/citations?user=5LBBPsYAAAAJ&hl=en

https://www.researchgate.net/profile/Quyang-Liu