在高分子网络中，同时实现高弹性、高模量与高抗疲劳阈值对于需要承载动态应力的应用很重要。然而，这三种性质通常不可兼得：提高共价交联密度虽能提高模量，却会导致疲劳阈值下降；引入额外物理交联虽可提升模量，但同时通常会引入较大的能量耗散，降低弹性。

  哈佛大学锁志刚教授团队通过物理键组成的结构域交联超长链高分子（图1），构建了一种兼具高模量、高弹性和高疲劳阈值的水凝胶材料。该高分子网络的构建存在两项原则：1.由大量物理键形成的结构域作为交联点；2.超长的高分子链。

  大量的物理键形成的结构域具有中等强度：虽然单个物理键较弱，但结构域由多重物理键组成，在中等应力下足够坚固。

  在中等应力下，结构域内的链几乎不滑移，结构域整体表现如“硬质颗粒”。结构域外，高分子链柔软、致密缠结、链间摩擦力低。这些特征赋予材料高模量与高弹性。

  当网络中存在裂纹时，裂纹尖端的高应力诱导结构域内链段发生受控滑移。超长高分子链确保链可滑移而不被拔出，使得裂纹尖端的高应力能跨越多个结构域。这种应力分散机制赋予材料高疲劳阈值。

图1 物理键结构域交联的超长链高分子网络

  2025年5月22日，该研究论文以“Unusually long polymers crosslinked by domains of physical bonds”为题，发表在Nature Communications。鲍先扬博士（哈佛大学博士后）、陈哲琪博士（哈佛大学博士后）、念国栋博士（原哈佛大学博士后，现任浙江大学“百人计划”研究员）为论文共同第一作者，哈佛大学锁志刚教授为论文通讯作者，Matthew Wei Ming Tan 博士（哈佛大学、南洋理工大学联合博士后）、Christine Heera Ahn（哈佛大学博士生）、Yakov Kutsovsky 博士（哈佛大学驻校专家）为论文合著作者。

  作者通过超高分子量的聚乙二醇（PEG）和聚丙烯酸（PAAc）的高分子络合（polymer complex）体系证明了这一设计（图2）。通过捏合超高分子量（8,000,000 g/mol）的PEG、丙烯酸单体和极少量的光引发剂，形成均匀混合的“面团”。聚合过程中，极少量的光引发剂产生低自由基浓度，使得丙烯酸单体原位聚合成超长的PAAc链。两种超长高分子链形成均匀的共混体系，PEG和PAAc链间形成密集的氢键络合物。将这种PEG-PAAc混合物置于水中直至溶胀平衡，疏水作用与氢键协同驱动络合物聚集形成物理交联结构域，构建交联网络。最终形成的水凝胶兼具高模量、高疲劳阈值与高弹性，展现出优异的力学性能（图3）。

图2. 通过揉面团法制造弹且韧的物理结构域交联超长链水凝胶

图3. 长链PEG水凝胶和长链PEG-PAAc水凝胶的对比

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59875-z