AM: 通过木质素诱导的自组装制造出坚韧的超分子水凝胶

超分子水凝胶通常是通过微弱的非共价相互作用组装而成的，这给实现超强强度带来了巨大挑战。基于分子/纳米工程概念开发更高强度是一种潜在的改进策略。本文通过将木质素磺酸钠（LS）逐渐扩散到聚乙烯醇（PVA）溶液中，组装出一种超强韧的超分子水凝胶。模拟和分析结果表明，交联网络的组装和随后的增强主要归功于木质素磺酸钠诱导的水凝胶内强结晶域的形成和逐渐致密化。优化后的水凝胶具有令人印象深刻的机械性能：拉伸强度≈20 MPa，杨氏模量≈14 MPa，韧性≈50 MJ m⁻3，是目前已知强度最高的木质素--聚乙烯醇/聚合物水凝胶。此外，LS还使超分子水凝胶具有出色的低温稳定性（<-60 °C）、抗菌性和紫外线阻隔能力（≈100%）。有趣的是，LS的扩散能力可用于受损超分子水凝胶的自重组、实现水凝胶表面的三维图案化以及增强冻融PVA水凝胶的局部强度。我们的目标是将生态友好型LS与生物相容性PVA结合起来，建立一个多功能水凝胶平台，为生物医学、工程材料和林业科学的创新和跨学科发展铺平道路。

图文简介

a ) LS溶液诱导PVA溶液自组装形成超分子水凝胶的示意图；b )水凝胶在LS溶液中浸泡12 h后损耗因子随时间的变化。图中插图为不同形状的超分子水凝胶；c )水凝胶在LS溶液中浸泡12 h的AFM相图；d ) LS和水凝胶在LS溶液中浸泡不同时间的ATR-FTIR图谱。使用20wt . %的PVA溶液在饱和LS溶液中浸泡48 h后，得到自组装水凝胶，并附有数码照片，描述其e )大尺寸外观，f )可滚动能力，g )举起沉重的哑铃。

a )使用GROMACS程序包模拟的LS诱导PVA链自组装的快照。红色点代表水分子。在PVA聚合物的自组装过程中，b ) PVA聚合物之间、PVA与LS分子之间以及PVA与水分子之间的氢键数量。c ) PVA与水分子之间的静电作用(黑线)和范德华力(红线)，以及d ) PVA与LS分子之间的相互作用。

a )在40 wt . % LS溶液中浸泡不同时间的复合水凝胶的典型拉伸应力-应变曲线，b )拉伸强度，断裂应变，c )韧性和杨氏模量。d ) 1D XRD图谱和e )复合水凝胶的Iq2对q的曲线图。f )确定了复合水凝胶的估计平均尺寸( D )和相邻结晶区之间的距离( L )。将该超分子水凝胶与其他已报道的g，h )强韧木质素- PVA/聚合物复合水凝胶和i )强韧超分子水凝胶进行比较。

a )直接混合PVA和LS后的水凝胶制备示意图。b )在室温下混合不同LS的PVA20的溶胶-凝胶转变的数字图像。c )典型的拉伸应力-应变曲线，d )数码照片，e )综合力学性能，f ) PVA20-F12T2，PVA20混合20LS和LS40浸泡PVA20-12水凝胶的断裂能。g ) LS40浸泡PVA20-12水凝胶在应变为100 %的十次循环加载-卸载拉伸试验。h )相应的最大拉伸强度和每次循环的耗散能量。

论文信息

通讯作者：Zhongkai Wang, Yonghao Ni, Qinhua Wang