合成与性质的关系是材料科学重要且充满挑战的基础科学问题。近年来，随着软材料在工程、医学等领域的快速发展，其合成与性质的关系对于相关应用至关重要。然而，软材料的合成参数如何影响材料的性质却是一个长期被忽视的重要科学问题，将直接影响软材料设计的有效性和应用的可靠性。
最近，哈佛大学锁志刚教授课题组对软材料合成与性质关系这一重要科学问题进行了深入系统的研究，重点研究了交联（crosslink）和纠缠（entanglement）对聚合物网络力学性质的影响。合成参数通过改变材料结构影响材料性质，而水凝胶的结构由前驱液（precursor）的组分和聚合后的溶胀程度共同决定。他们以聚丙烯酰胺（polyacrylamide）水凝胶为例，研究了前驱液中水与单体的摩尔比W、前驱液中交联剂与单体的摩尔比C、以及聚合物与水凝胶的质量比Φ对模量、强度、拉伸性和破坏功的影响（图1）。该团队在W、C和Φ构成的三维合成参数空间中选择四条路径合成了四组水凝胶，测量了单轴拉伸至破坏的应力-拉伸曲线。对于完全聚合的水凝胶，当W固定时，强度随C减小而增大；当C固定时，强度随W减小而增大；当Φ相近时，强度随C变化而几乎不随W变化。聚合物链（polymer segment）的平均长度由C决定，每条聚合物链上纠缠的平均数量则由W决定。大量交联会降低强度，而大量纠缠不会。相对地，交联和纠缠都会增加模量。高度纠缠的长链聚合物网络具有高抗溶胀性、高模量和高强度。以上研究和结果为软材料的设计和应用提供了指导，丰富和发展了软材料力学。
为了研究交联密度对水凝胶性质的影响，第一组水凝胶的前驱液由W = 22.38和不同C组成。水凝胶聚合后即进行测试，结果如图2 所示。弹性模量是小拉伸下应力-拉伸曲线的斜率，强度是最大的应力，拉伸性是最大的拉伸，破坏功是应力-拉伸曲线下的面积。随着C的增大，模量增大，强度减小，拉伸性减小，破坏功减小。
图2 交联密度对水凝胶性质的影响（W = 22.38）
为了研究交联密度对完全溶胀的高度纠缠水凝胶性质的影响，第二组水凝胶的前驱液由W = 2和不同C组成。水凝胶聚合后在去离子水中泡22小时达到完全溶胀后进行测试，结果如图3所示。在C的测试范围内，随着C的增大，聚合物含量几乎不变，模量先增大后不变，强度先增大后减小，拉伸性先增大后减小，破坏功先增大后减小。同时，该水凝胶展现出近乎完美的弹性，即加载与卸载的应力-拉伸曲线几乎重合。
图3 交联密度对完全溶胀的高度纠缠水凝胶性质的影响（W = 2）
为了研究前驱液中含水量对完全溶胀水凝胶性质的影响，第三组水凝胶的前驱液由 C = 6 × 10-4和不同W组成。水凝胶聚合后在去离子水中泡22小时达到完全溶胀后进行测试，结果如图4所示。随着W的增大，聚合物含量减小，模量减小，强度减小，拉伸性增大。破坏功不随W单调变化。
图4 前驱液含水量对完全溶胀水凝胶性质的影响（C = 6 × 10-4）
为了研究前驱液中含水量对溶胀到一定程度水凝胶性质的影响，第四组水凝胶的前驱液由C = 6 × 10-4和不同W组成。由不同W合成的水凝胶聚合后在去离子水中泡不同时间使得溶胀后都具有~15 wt%聚合物含量，并静置至均匀后进行测试，结果如图5所示。随着W的增大，模量减小，强度几乎不变，拉伸性增大，破坏功增大。
图5前驱液含水量对溶胀至~15 wt%聚合物含量水凝胶性质的影响（C = 6 × 10-4）
这项研究工作以Polyacrylamide hydrogels. VI. Synthesis-property relation为题发表于固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids。论文第一作者为王叶成博士（哈佛大学博士、博士后），第二作者为念国栋博士（哈佛大学博士后），第三作者为Junsoo Kim博士（哈佛大学博士、博士后）。美国科学院院士、美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授为论文通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.105099
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