真空冷凍干燥技術在柔性水凝膠制備中的應用

水凝膠用作組織工程的支架、藥物輸送的載體、光學和流體的驅動器，以及用于生物學研究的模型細胞外基質。然而，水凝膠的應用范圍往往受到其機械性能的嚴重限制。大多數水凝膠不表現(xiàn)出高拉伸性。例如，藻酸鹽水凝膠在拉伸到其原始長度的約1.2倍時會破裂。一些合成彈性水凝膠已經實現(xiàn)了10-20 的拉伸，但已知當樣品包含缺口時，彈性凝膠會顯著減少可實現(xiàn)的拉伸。大多數水凝膠很脆，具有10 J/m2左右的斷裂能，相比之下，軟骨具有 ~1000 J/m2的斷裂能量，天然橡膠的斷裂能為~10,000 J/m2。人們投入了大量精力來合成具有增強機械性能的水凝膠，某些合成凝膠的斷裂能量已達到100–1000 J/m2。盡管取得了令人振奮的成就，但水凝膠的大部分特性空間仍未被開發(fā)。

某些合成水凝膠已經實現(xiàn)了出色的機械性能。含有滑環(huán)聚合物的水凝膠可以拉伸其初始長度的10倍以上，四聚（乙二醇）凝膠的強度為~2.6 MPa。這些凝膠會彈性變形。彈性凝膠是脆性的，對缺口敏感，也就是說，當樣品包含缺口或任何其他導致不均勻變形的特征時，高拉伸性和強度會顯著下降。通過引入能量耗散機制，可以使凝膠變得堅韌且對缺口不敏感。例如，斷裂能量為~1000 J/m2是通過雙網絡凝膠實現(xiàn)的，其中兩個網絡分別通過共價鍵交聯(lián)，一個網絡具有短鏈，另一個網絡具有長鏈。當凝膠被拉伸時，短鏈網絡破裂并耗散能量。然而，短鏈網絡的破裂會造成損害。第一次加載后，凝膠不會從損傷中恢復;在隨后的載荷下，斷裂能量大大降低。為了實現(xiàn)可恢復的能量耗散機制，最近的幾項工作已經用非共價鍵取代了破裂的共價鍵。例如，在具有三嵌段鏈共聚物的凝膠中，不同鏈的末端嵌段形成玻璃狀結構域，不同鏈的中間嵌段形成離子交聯(lián)。

當凝膠被拉伸時，玻璃結構域保持完整，而離子交聯(lián)會斷裂并耗散能量。離子交聯(lián)在第一次加載后的一段時間內重組。可恢復的能量耗散也可以受到疏水締合的影響。當親水性聚合物網絡中由疏水雙層制成的凝膠被拉伸時，雙層會解離并耗散能量，卸力后，雙層重新組裝，導致恢復。然而，現(xiàn)有工作已證明斷裂能量與雙網絡凝膠相當或更低。

PAA-PAH/LiCl柔性水凝膠

單網絡（SN）柔性水凝膠

摩擦納米發(fā)電機（TENG）是基于靜電感應和摩擦電效應耦合的發(fā)明。TENG基本上可以看作是一種電容式可變電場源，其輸出功率與摩擦電荷密度有關。TENGs可以收集人類日常生活中無處不在的機械能，包括波浪、風，以及呼吸和身體運動等人體運動。與其他電源相比，TENGs在設計簡單、成本低、可移植性等方面具有的優(yōu)勢。TENGs的顯著優(yōu)勢使其在人工智能、可穿戴電子設備、物聯(lián)網和生物醫(yī)學設備方面具有巨大潛力。在便攜式可穿戴設備對綠色和可持續(xù)能源的快速需求方面，TENGs的研究取得了的成就。