私密直播全婐app免费大渔直播,国产av成人无码免费视频,男女同房做爰全过程高潮,国产精品自产拍在线观看

  水凝膠由水分子和聚合物網絡組成，含水量在90%左右；由于其具有優良的生物相容性能，對人體組織無刺激，所以在日常生活中得到廣泛應用。常見的例子包括果凍（明膠）、嬰兒尿不濕和隱形眼鏡等等。

圖1 水凝膠的結構示意圖及日常應用（果凍、尿不濕、隱形眼鏡）

  第一代水凝膠是軟而脆的材料，因此其力學性質并沒有得到廣泛關注；反觀生物材料，盡管含水量也很高，但是力學性質卻非常好，比如軟骨組織。近十幾年來，國際上關于改進水凝膠的力學性能開展了大量工作，形成了研究熱點；相繼開發出了納米水復合凝膠、雙網絡水凝膠和韌性水凝膠等高強度高韌性水凝膠；這些高強水凝膠即使在有缺陷的情況下依然可以承受大的變形。水凝膠的斷裂韌性由10Jm-2的量級提高到 10000Jm-2的量級，可以媲美天然橡膠。關于如何增韌水凝膠，目前較為統一的認識是：在材料設計時引入必要的能量耗散機制，這樣裂紋在擴展時需要耗散大量的能量，從而提高抗裂紋擴展的能力。

圖2 高強度高韌性水凝膠的范例及增韌機制[1-4]

  需要指出的是這一普適的增韌機理存在一個致命的問題：循環載荷下，高強水凝膠的力學性能急劇降低，增韌機制逐漸失效。換句話說，高強水凝膠的抗疲勞性質欠佳。然而水凝膠的疲勞研究卻從未見到報道。

  美國哈佛大學鎖志剛教授課題組于2016年首次報道了聚丙烯酰胺水凝膠的疲勞性質研究，開辟了新的研究領域。聚丙烯酰胺水凝膠是最為常用的水凝膠材料之一，在世界范圍內的實驗室被廣泛采用，屬于脆性水凝膠的范疇。

圖3 聚丙烯酰胺水凝膠的疲勞斷裂及斷裂模式圖[5]

  此次，鎖志剛教授課題組報道了聚丙烯酰胺-海藻酸鈉(PAAm-alginate)韌性水凝膠的疲勞斷裂研究。聚丙烯酰胺-海藻酸鈉水凝膠是該課題組于2012年在Nature雜志上報道的一種韌性水凝膠。

  實驗發現，韌性水凝膠在循環加載的作用下，其應力應變曲線會隨著加載持續變化，直到上千次循環之后才達到穩定狀態。應力應變曲線的變化對應著材料內部離子鍵的逐漸破壞；隨著循環次數的增加，幾乎所有的離子鍵發生破壞，材料達到穩定狀態。

圖4  循環加載下韌性水凝膠的力學性能變化

圖5  韌性水凝膠在循環加載下的疲勞斷裂

  韌性水凝膠的疲勞裂紋，開始時擴展較快，慢慢達到穩定狀態，這是因為能量釋放率隨著循環次數的增加逐漸減少，進而穩定下來。

圖6  不同加載拉伸比下的裂紋擴展

  文中測得的韌性水凝膠的疲勞斷裂閾值為53 J/m2，遠低于其斷裂韌性。該結果進一步表明韌性水凝膠的疲勞性能較差，需要通過新的材料設計方法予以提高。另外，作者通過實驗對比研究發現，韌性水凝膠的每周裂紋擴展速度遠低于聚丙烯酰胺水凝膠。

  韌性水凝膠（tough hydrogels）近年來在組織工程、軟機器人和可拉伸電子方面得到了廣泛的發展和應用。韌性水凝膠的更廣泛的應用往往要求水凝膠能夠承受長時間的周期性載荷。該工作對于韌性水凝膠的應用具有重要的指導意義。

  最后，需要指出的是水凝膠的疲勞斷裂研究剛剛起步，有非常大的研究空間。水凝膠的種類繁多，增韌機制各有不同，不同種類的水凝膠的疲勞性質如何尚不得知。另外，如何通過材料設計，提高水凝膠的抗疲勞性能都是亟待解決的問題。

圖7 韌性水凝膠與傳統聚丙烯酰胺單網絡水凝膠的疲勞斷裂對比；G – 加載的能量釋放率

  這一研究工作最近發表在Extreme Mechanics Letters上。白若冰博士是該論文的第一作者，鎖志剛教授為通訊作者。該工作由美國哈佛大學工程與應用科學學院和西安交通大學航天航空學院唐敬達老師合作完成。

參考文獻

1.  Haraguchi, K.; Takehisa, T., Nanocomposite hydrogels: a unique organic-inorganic network structure with extraordinary mechanical, optical, and swelling/de-swelling properties. Advanced Materials 2002, 14 (16), 1120.

2. Gong, J. P.; Katsuyama, Y.; Kurokawa, T.; Osada, Y., Double‐Network Hydrogels with Extremely High Mechanical Strength. Advanced Materials 2003, 15 (14), 1155-1158.

3.  Sun, J.-Y.; Zhao, X.; Illeperuma, W. R.; Chaudhuri, O.; Oh, K. H.; Mooney, D. J.; Vlassak, J. J.; Suo, Z., Highly stretchable and tough hydrogels. Nature 2012, 489 (7414), 133-136.

4.  Zhang, T.; Lin, S.; Yuk, H.; Zhao, X., Predicting fracture energies and crack-tip fields of soft tough materials. Extreme Mechanics Letters 2015, 4, 1-8.

5.  Tang, J.; Li, J.; Vlassak, J. J.; Suo, Z., Fatigue fracture of hydrogels. Extreme Mechanics Letters 2017, 10, 24-31.

論文信息與鏈接

Ruobing Bai, Quansan Yang, Jingda Tang, Xavier P. Morelle, Joost Vlassak, Zhigang Suo, Fatigue fracture of tough hydrogels, Extreme Mechanics Letters, Available online 15 July 2017, ISSN 2352-4316, https://doi.org/10.1016/j.eml.2017.07.002.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431617300731