Sculpting Mechanical Properties of Hydrogels by Patterning Seamlessly Interlocked Stiff Skeleton

自愈水凝胶 材料科学 韧性 撕裂 刚度 软质材料 复合材料 纳米技术 高分子化学
作者
Bin Zhu,Jiayu Wu,Desheng Liu,Yuke Yan,Xingxing Yang,Yixian Wang,Changcheng Bai,Danli Hu,Zhixing Zhang,Pan Jiang,Xiaolong Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202417477
摘要

Abstract Functional soft materials, especially hydrogels have been widely developed to achieve various soft structures and machines. However, synthetic hydrogels commonly show formula‐dependent mechanical properties to fulfill the requirements of mechanical elasticity, stiffness, toughness, and tearing‐resistance for adapting to complex application scenario. Inspired by heterostructures and materials found in nature such as leaves and insect wings, a sequential photopolymerization process combined with site‐selective patterning exposure is reported to prepare programmable hydrogels with locally heterogeneous reinforcement skeletons, i.e., interpenetrating double networks. The heterogeneous interface between soft matrices and stiff skeletons is seamlessly interlocked through strong multiple hydrogen bonds induced by phase transition. By harnessing the size, shape, and distribution of the patterned stiff skeletons, a wide range of mechanical properties of hydrogels including modulus (0.32–5.92 MPa), toughness (0.15–18 kJ m −2 ), dissipated energy (1–100 kJ m −3 ), impact resistance, and mechanical anisotropy can be readily sculpted within one material system without needing design and optimization of the complex and elusive material formulation on demand. It is believed that this simple yet powerful method relying on heterogenous patterning would guide the development of functional hydrogel materials with programmable mechanical properties toward potential engineering applications, such as damping and flexible circuits.
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