聚合物水凝膠，作為一類通過化學交聯或物理相互作用形成的高分子三維網絡，因其具有類似於生物組織的高含水量而表現出優异的生物相容性，在組織工程、藥物釋放、生物傳感等領域展現出極大的應用潜力。但因傳統水凝膠的力學性能較差，其實際應用大為受限。
在國家自然科學基金委和中國科學院的支持下，化學所高分子物理與化學實驗室邱東研究員課題組近年來致力於強韌水凝膠的開發與功能化研究，並取得了系列進展。研究團隊從調控高分子鏈間相互作用角度出發，提出了高分子鏈氫鍵作用“時域調控”策略（Adv. Matter. 2020，32，2004579）以及“連體網絡”增强策略（Sci.Adv. 2019，5，eaau3442），實現了水凝膠的力學性能的大幅提升；同時，還實現了水凝膠的多種功能化，發展了黏附型水凝膠（Chin.Chem.Lett. 2020，31，821-825）、耐鹽性水凝膠（Polymer2020，186，122080）以及表面具有褶皺結構的仿生水凝膠（Chem.Commun. 2020，56，13587-13590）。
最近，該課題組在前期研究成果的基礎上，從高分子/納米顆粒相互作用調控角度出發，通過將高度枝化的二氧化矽納米顆粒（比表面積高達1000 m2.g-1）引入到適度化學交聯的聚合物膠網絡，發展了一類高含水量的純彈性納米複合水凝膠資料。在含水量達96 wt%的條件下，該類納米複合水凝膠表現出高達11.5倍的斷裂伸長率。由於徹底消除了凝膠網絡中的能量耗散途徑（高分子鏈解纏結、共價鍵斷裂等），此類納米複合水凝膠在迴圈載荷作用下幾乎沒有任何應力回滯，表現出類似於彈簧的純彈性力學行為。獨特的彈性力學行為還賦予此類複合水凝膠資料優异的抗疲勞性質，水相環境下的動態載荷測試表明歷經5000次迴圈拉伸處理後，此類納米複合水凝膠依然能維持其交聯網絡的完整性。基於此類納米複合水凝膠資料獨特的純彈性力學行為，他們還構建了離子型應變感測器，實現了對微小振動的高靈敏度檢測。相關研究成果發表在近期的Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202108243）。本工作得到了美國橡樹嶺國家實驗室以及中國散裂中子源（東莞）小角中子散射線站工作人員的技術支援。文章通訊作者是邱東研究員和UMass的Thomas P. Russell教授，第一作者是孟曉輝助理研究員。
圖納米複合水凝膠的力學性能及其在微小振動高精度檢測中的應用