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  作為一種性能優異的軟材料，水凝膠在柔性電子和生物醫藥等領域展現出廣泛的應用前景。在水凝膠的實際應用中，通常需要將其與其他材料進行集成。這種集成提出了一個基本要求：在水凝膠和各種工程表面之間實現可靠的界面粘附。為了實現這一可靠的粘接界面，常見的策略是將韌性水凝膠與界面相互作用相結合，從而大大提升界面的粘附韌性。然而，這種策略在實際使用中往往受到一些限制。一方面，韌性水凝膠的力學性能在循環加載后往往會迅速減弱。另一方面，粘附韌性反映的是界面在預裂紋存在下的裂紋擴展阻力，而在實際應用中，界面不一定存在尖銳的預裂紋，僅僅依賴于粘附韌性這一指標來衡量黏附質量可能會低估水凝膠黏附層的實際承載能力。

  為了解決這些問題，西安交通大學劉子順課題組在水凝膠黏附層中引入了一種名為十字型切割（crosswise cutting）的宏觀結構設計策略，并提出了一種新的黏附質量度量準則—裂紋萌生阻力準則。這種策略不受限于特定類型的水凝膠，并且通過增加最大剝離力并限制裂紋起裂長度，來增強了裂紋萌生阻力，從而提高了水凝膠的黏附性能。相關工作近期以“Enhancing the crack initiation resistance of hydrogels through crosswise cutting”為題發表在固體力學旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。

圖3 橫向切割策略下水凝膠的90度剝離曲線和裂紋萌生前剝離過程區的照片

，并對其進行了理論推導。研究發現通過改變切割類型、水凝膠厚度和切割尺寸，可以優化的值

圖4 橫向（也是十字型）切割下臨界裂紋萌生能量釋放率的推導

  基于臨界裂紋萌生能量釋放率的表達式，研究人員進一步揭示了“十字型切割”策略增加的內在機制，即應力分散效應（圖5），并且通過引入宏觀Lake-Thomas模型實現了對“十字型切割”策略下值的預測。

圖5 十字型切割策略的應力分散效應

  該研究工作提出的十字型切割策略克服了傳統水凝膠強粘附策略的局限性，提供了一種較為簡便有效的增強水凝膠粘附的方法。該策略不僅提高了抗裂紋萌生能力，而且提高了抗裂紋擴展能力。十字型切割策略不限于特定材料，可以應用于各種材料類型。此外，它還增強了水凝膠在不同表面上的順應性和魯棒性，進一步擴大了其潛在應用。同時，該研究也希望能引起人們對實際應用中水凝膠黏附質量評估的關注。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022509623003204?via%3Dihub