聚乙烯醇（PVA）凝胶因其优异的生物相容性和可调的力学性能，在生物医学、柔性电子和软体机器人等领域具有广阔的应用前景。然而，PVA凝胶普遍存在力学性能不足且难以兼顾刚度和韧性的问题。

  近期，武汉大学吕昂副教授团队提出了一种“脱水诱导致密化+有机溶剂辅助盐析”的分步策略，成功制备出兼具高刚度与高韧性的PVA凝胶，如图一所示。该凝胶的拉伸应力达到66.2 MPa，弹性模量为334.2 MPa，韧性高达235.7 MJ·m^-3，显著突破了传统PVA凝胶的力学性能瓶颈，为高性能聚合物凝胶的设计提供了全新思路。

  2026年9月23日，相关研究以Stiffen and toughen poly(vinyl alcohol) gels via synergistic dehydration and salting out为题发表在《Nature Communications》上。

图1. 通过脱水-盐析法连续制备 PVA 凝胶（PVA-gly-SC）的示意图

研究背景：PVA凝胶的刚度-韧性困境

  PVA凝胶在组织工程、能源存储、软体机器人和柔性电子器件等领域具有广泛的应用前景。然而，传统PVA凝胶通常质地柔软、力学强度低，难以满足承载类应用的需求。近年来，研究人员发展了冻融循环、双网络结构、冷冻铸造、预拉伸和退火等多种策略来增强PVA凝胶的力学性能。尽管取得了显著进展，但高刚度与高韧性之间的矛盾始终未能有效解决。根据Lake-Thomas模型，凝胶材料普遍存在固有的刚度-韧性权衡：增加交联密度虽能提高刚度，却往往导致材料脆化。这一矛盾的根源在于网络结构中结晶域（贡献刚度）与无定形区（贡献韧性）之间的内在竞争。因此，开发一种简便的策略来同时实现高刚度和高韧性，仍然是一个重大挑战。

分步策略：先“致密化”，再“结构调控”

  针对上述难题，武汉大学吕昂副教授团队提出了一种分步设计原则。该策略的核心思路是：先通过脱水构建致密的结晶骨架，再通过有机溶剂辅助的盐析过程对聚集体结构进行可控调控，同时最大限度地保留原有的结晶结构。

  具体而言，研究人员首先将PVA溶液在60℃下脱水，制备出PVA干膜（PVA-dry）。在这一过程中，水分蒸发诱导高分子链逐步聚集并形成分子间相互作用，显著提高了聚合物网络的致密化程度，同时促进了结晶域的形成。值得注意的是，未经脱水致密化的PVA溶液在后续盐析过程中无法形成具有固定形状的凝胶。随后，将PVA干膜浸入含有柠檬酸钠（SC）的65.0 wt%甘油水溶液中，进行盐析处理，最终获得PVA-gly-SC凝胶。

  在这一盐析过程中，溶液中的各组分扮演了不同的角色：水分子渗透进入PVA基体，破坏部分结晶区域，增加分子链间距并显著提升链段运动能力，从而释放材料内部应力，使强度下降而应变能力大幅提升；甘油分子则提供氢键位点，与PVA形成广泛的分子间氢键，有效抑制水的溶胀效应，使PVA链能够更紧密地堆叠；柠檬酸钠通过盐析效应进一步减少水分子对PVA结晶结构的破坏。三者的协同作用最终使PVA-gly-SC凝胶在保留大量完整结晶域的同时，获得了显著增强的分子链运动能力。

结构表征：结晶域的高效保留

  原子力显微镜（AFM）相图（图2a）显示，PVA-dry膜具有非常致密的微观结构。在水合过程中，水分子的溶胀效应导致PVA-H₂O凝胶形成疏松结构；而甘油和SC则能有效抑制溶胀，使PVA-SC、PVA-gly和PVA-gly-SC凝胶均保持致密结构。XRD分析表明，PVA-dry的结晶度最高，为23.6%；PVA-H₂O的结晶度降至9.4%，表明水分子严重破坏了结晶区域；而PVA-gly-SC的结晶度达到20.0%，接近原始干膜水平。结晶尺寸的变化趋势与结晶度一致：PVA-dry为4.7 nm，PVA-H₂O降至3.6 nm，PVA-gly-SC恢复至4.1 nm，如图2b、2c所示。研究表明，当晶粒尺寸在3-15 nm范围内时，材料强度随晶粒尺寸增大而提高，因此PVA-gly-SC更高的结晶度和更大的晶粒尺寸共同贡献了其优异的力学性能。

  FTIR分析进一步证实了这一结论，如图2d-2f所示。位于1140 cm^-1的吸收峰归属于结晶C-O伸缩振动，所有样品均出现该峰，表明网络中存在微晶结构。通过对3000-3700 cm^-1区域O-H伸缩振动峰进行分峰拟合，定量计算了PVA-PVA氢键的贡献比例。PVA-dry的PVA-PVA氢键面积比最高（54.9%），PVA-H₂O降至47.8%，而PVA-gly-SC回升至49.7%，表明甘油和SC的协同作用有效抑制了水对PVA链间氢键的破坏。XPS分析还证实了SC成功引入PVA-gly-SC体系，且SC与PVA/甘油基体之间存在相互作用，如图2g-2h所示。

图2 结构表征：a AFM相图，b XRD图谱，c 结晶度与晶粒大小计算，d FTIR结果及e、f 峰比例分析，g-h XPS的C1s和O1s分析。

力学性能：刚度与韧性的协同提升

  力学测试结果表明，PVA-gly-SC凝胶的力学性能受到制备条件的显著影响。在固定PVA浓度为8.0 wt%的条件下，随着SC浓度从0增至1.00 M，凝胶的力学强度、弹性模量和韧性均显著提升。当SC浓度超过1.00 M时，溶液出现沉淀，因此确定最优SC浓度为1.00 M。进一步优化PVA浓度发现，8.0 wt%的PVA浓度下凝胶力学性能最佳，拉伸应力达到66.2 MPa，韧性为235.7 MJ·m^-3，弹性模量为334.2 MPa。PVA浓度过高时，由于盐析引起的疏水链连接过强导致过度致密化，反而引发应力集中和拉伸断裂。

  溶剂组分对力学性能的影响同样显著。PVA-H₂O凝胶的拉伸应力仅为11.1 MPa，韧性为23.4 MJ·m^-3，弹性模量为2.4 MPa；PVA-SC凝胶的拉伸应力为25.7 MPa，韧性为87.8 MJ·m^-3；PVA-gly凝胶的拉伸应力为30.2 MPa，韧性为88.0 MJ·m^-3。相比之下，PVA-gly-SC凝胶的韧性是PVA-H₂O的10.0倍，弹性模量更是高达139.2倍。这一结果表明，甘油和SC的协同作用远优于单一组分的简单叠加。值得一提的是，PVA-gly-SC凝胶的增强机制是物理性的且可逆的——将其重新浸入水中后，性能恢复至与PVA-H₂O相当的水平。

增韧机制：结晶域的“牺牲”与能量耗散

  循环拉伸测试揭示了PVA-gly-SC凝胶独特的能量耗散机制。在递增应变的循环加载中，当拉伸应变从50%增至300%时，能量耗散密度从7.9 MJ·m^-3提升至40.0 MJ·m^-3。第一循环的滞后比（hr）达到85.3%，后续循环中hr均保持在88%以上。在PVA-H₂O、PVA-SC、PVA-gly和PVA-gly-SC四种凝胶中，滞后比呈现PVA-gly-SC > PVA-gly > PVA-SC > PVA-H₂O的顺序，PVA-gly-SC的滞后比达到90.5%，显著高于PVA-gly的80.3%和PVA-SC的73.8%，如图3a-3f所示。

  这种高效能量耗散的机制在于：SC的盐析效应与甘油的溶胀抑制作用协同驱动PVA链紧密堆积，大幅提高了凝胶的结晶度，增强了链间摩擦力和氢键密度。在加载过程中，施加的应力诱导不完美结晶区域发生不可逆断裂，同时部分弱氢键发生解离，两种机制共同贡献能量耗散。在卸载过程中，失去原始结晶骨架的网络塌缩为永久重排的状态，这种结构不可逆性阻止了恢复，从而产生显著的应变滞后和高滞后比。

  纯剪切测试进一步验证了PVA-gly-SC的优异抗断裂性能。该凝胶的临界拉伸比为153%，断裂能达到189.8 kJ·m^-2，显著高于PVA-SC（77.3 kJ·m^-2）、PVA-gly（kJ·m^-2）和PVA-H₂O（kJ·m^-2），如图3g-3h所示。根据经典的Lake-Thomas模型，弹性体和凝胶普遍存在固有的刚度-韧性权衡，而PVA-gly-SC凝胶同时实现了334.2 MPa的高模量和189.8 kJ·m^-2的高断裂能，成功超越了这一长期限制，如图3i所示。

图3. a-c 递增应变下的连续拉伸加载-卸载测试：a PVA-gly-SC 凝胶的应力-应变曲线；b PVA-gly-SC凝胶相应的计算总能量、耗散能量和 hr；c PVA-H₂O凝胶、PVA-SC凝胶、PVA-gly 凝胶和PVA-gly-SC凝胶的 hr 比较。d-f 在300 %应变下的连续拉伸加载-卸载测试：d PVA-gly-SC 凝胶的应力-应变曲线；（e）PVA-gly-SC 凝胶相应的计算总能量、耗散能量和 hr；f PVA-H₂O凝胶、PVA-SC凝胶、PVA-gly凝胶和PVA-gly-SC凝胶的 hr 比较。g PVA-gly-SC 凝胶的纯剪切测试。h PVA-H₂O凝胶、PVA-SC凝胶、PVA-gly凝胶和PVA-gly-SC凝胶的断裂应变和断裂能比较。i PVA-gly-SC 凝胶在目前先进的韧性-模量图中的力学性能。黄色虚线表示当前最先进水凝胶在韧性与刚度之间的权衡（Γ= 2901835 kN^3/2·m^?2·E^-1/2）。本工作中的 PVA-gly-SC 凝胶超越了该极限，同时实现了高刚度和高韧性。对于b和e，每一柱代表一次单独测量。

应用展示：高压环境下的压离子响应

  PVA-gly-SC凝胶不仅在力学性能上表现优异，还展现出良好的压离子转换特性。在4.0 MPa的循环压缩下，凝胶网络变形导致溶解在甘油水溶液中的离子发生定向迁移，产生离子电流；同时聚合物链段的变形引起电阻的同步变化，从而产生可重复的电信号响应。在10 mm·min^-1的加载速率下，该凝胶的压电输出峰值电压达到31.4 mV，信号变化与压力循环保持同步。电压灵敏度在低压范围（0-100 kPa）为0.17 mV/kPa，在高压范围（100-4000 kPa）为0.0023 mV/kPa。这种兼具高压耐受性、柔性和可量化压离子灵敏度的特性，为开发适用于特殊机械载荷场景的柔性压力传感器提供了新可能。

总结与展望

  该研究通过“脱水致密化+有机溶剂辅助盐析”的分步策略，成功制备出兼具高刚度（334.2 MPa）和高韧性（235.7 MJ·m^-3）的PVA凝胶，有效解决了长期困扰PVA凝胶的刚度-韧性权衡难题。该策略的独特之处在于将刚度和韧性的优化分配至两个独立步骤：脱水过程构建致密结晶骨架，盐析过程在保留结晶结构的同时调控无定形区的链段运动能力。与冷冻铸造、预拉伸或多重网络等复杂方法相比，该策略仅需简单的两步浸泡处理，且具有各向同性结构、无需化学交联剂、易于规模化等优势。

  该研究不仅为高性能PVA凝胶的制备提供了可扩展的方法，更揭示了聚合物凝胶设计中“结晶度-力学性能”的协同调控机制。这种分步脱水-盐析策略为克服物理交联凝胶的刚度-韧性权衡提供了通用性思路，有望为软体机器人、可穿戴电子器件和承载型生物支架等前沿领域的高性能软材料开发提供重要的设计指导。

  原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-78108-5