天然承力组织，如肌腱、肌肉、珍珠层和木材，通常具有从分子、纳米到宏观尺度高度有序的分级结构。这种跨尺度取向不仅能够促进载荷传递和能量耗散，还可以有效阻止裂纹扩展，使材料同时具备高强度、高韧性和良好的损伤耐受能力。受天然组织分级取向结构的启发，研究人员已发展出定向冻结、机械拉伸和流动剪切等方法，用于构筑各向异性水凝胶。然而，这些策略往往难以同时兼顾块体尺度、结构致密性和取向均匀性。定向冻结形成的层状通道通常较为疏松，层间结合相对有限；拉伸取向容易产生空间分布不均，并可能牺牲材料后续的变形能力；剪切诱导取向则多局限于薄膜、纤维或材料表层。随着样品厚度增加，外部剪切作用会向内部逐渐衰减，导致聚合物链难以在整个体积内实现同步重排。因此，如何在块体水凝胶中构筑贯穿全厚度、致密且均匀的多尺度有序结构，仍是实现其高强度、高韧性及功能协同的关键挑战。

  近日，厦门大学林友辉教授团队联合南洋理工大学吴荣辉教授，提出了一种逐层剪切致密化策略，即Layer-by-Layer Shear Densification，简称LBSD。通过絮凝、冷冻和滚压相结合的工艺，研究团队使水凝胶内部结构由外向内逐层发生取向和致密化，最终构建出贯穿整个块体材料的多尺度有序层状结构。

  2026年6月11日，研究成果以“Layer-by-Layer Shear Densification for Multiscale Hierarchical Alignment in Bulk Hydrogels”为题发表在《Nature Communications》上。博士生王森和硕士生汤森暄为论文共同第一作者。

图1. 逐层剪切致密化策略及FFR水凝胶的制备过程与宏观性能

  图1展示了LBSD策略的整体设计与制备过程。研究团队首先利用柠檬酸钠诱导PVA溶液发生可控絮凝，形成柔软且可重塑的凝胶前体，随后通过冷冻固定其基本形态，并借助连续滚压产生剪切和压缩作用。滚压过程中，水凝胶外层率先发生取向和致密化，随后应力逐步向内部传递，使内层结构依次完成重排，最终形成贯穿整个块体的二维层状结构。所得FFR水凝胶兼具柔软性和优异的承载能力，可提起超过自身质量15000倍的重物。

图2. FFR水凝胶的结构演变、各向异性形貌及力学性能

  图2进一步验证了FFR水凝胶从表层到内部逐步形成有序结构的过程。SEM、AFM和WAXS等结果表明，FFR水凝胶内部形成了连续、致密且高度取向的层状网络，而传统冻融水凝胶和仅经过絮凝与冷冻处理的样品仍保持随机、疏松的结构。得益于这种分级取向结构，FFR水凝胶表现出明显的力学各向异性，其沿取向方向的强度和韧性显著高于垂直方向，同时实现了41.29 MPa的拉伸强度和159.37 MJ·m^-3的韧性。

图3. 剪切作用诱导PVA分子链伸展和取向的分子动力学模拟

  图3通过粗粒化分子动力学模拟揭示了剪切作用对PVA链取向行为的影响。在未施加剪切时，PVA链主要呈随机卷曲状态；随着剪切持续进行，分子链逐渐被拉伸，并优先沿剪切方向排列。模拟结果还表明，提高剪切速率能够明显加快链段伸展和取向，而聚合物浓度的升高同样有利于有序结构的形成。该结果从分子尺度说明，滚压过程中产生的剪切力是驱动PVA链定向排列并形成宏观层状结构的关键因素。

图4. FFR水凝胶的纳米结构特征与传统水凝胶的对比。

  图4表明了FFR水凝胶在纳米尺度和分子尺度上的结构特征。SAXS和WAXS结果显示，FFR水凝胶中的晶区具有显著的定向排列，其Herman取向因子达到0.91，表明材料内部形成了高度有序的晶体结构。与此同时，XRD、DSC和FTIR结果进一步证明，絮凝与滚压处理不仅提高了PVA的结晶度，还促进了氢键形成和网络致密化。原位SAXS测试还显示，水凝胶在拉伸过程中不仅发生非晶链伸展，还可能伴随片层结构之间的滑移，这些结构变化共同赋予材料良好的强度与变形能力。

图5. FFR水凝胶的裂纹扩展行为及多尺度强韧化机制

  图5阐明了FFR水凝胶优异强韧性和抗裂性能的来源。有限元模拟和裂纹扩展实验表明，传统各向同性水凝胶中的裂纹会快速向前传播，而FFR水凝胶的取向层状结构能够有效分散裂纹尖端的应力，并扩大局部耗能区域，从而延缓裂纹扩展。其断裂能达到97.94 kJ·m^-2，约为传统冻融水凝胶的653倍。该性能来源于多尺度机制的协同作用，包括微米尺度的层间滑移与层片拉出、纳米尺度的晶区增强，以及分子尺度的氢键断裂和裂纹钉扎。

图6. FFR的各向异性热传导行为及芯片散热应用

  图6展示了取向结构对热传输性能的调控作用。FFR中高度排列的聚合物链和晶区构建了连续的面内热传导通道，从而减少声子散射并提高热传输效率。其面内热导率达到2.18 W·m^-1·K^-1，约为纯PVA基体的11.5倍。进一步将少量氧化石墨烯引入FFR水凝胶后，研究团队将其用于芯片散热，在保持良好电绝缘性的同时，可使芯片温度最多降低8.8 ℃，展现出其在柔性电子和热管理领域的应用潜力。

  结论：该研究提出了一种具有普适性的逐层剪切致密化策略，通过絮凝、冷冻与连续滚压的协同作用，在块体水凝胶内部构筑了贯穿整体的致密层级排列结构。所得PVA水凝胶不仅表现出优异的拉伸强度、韧性和抗裂性能，还实现了显著增强的方向性热传导。其性能提升主要来源于高度有序的层状结构、增加的结晶区以及氢键牺牲网络之间的协同作用，这些结构能够有效促进载荷传递、能量耗散并抑制裂纹扩展。此外，该策略还成功拓展至明胶水凝胶体系，表明其对不同聚合物网络具有良好的适用性。该工作为高性能各向异性水凝胶及其他块体聚合物材料的多尺度结构调控与功能集成提供了一种新的通用方法。

  论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-74146-1