【科研摘要】

由两个对比和互穿的聚合物网络组成的双网络（DN）水凝胶被认为是最坚韧的软湿材料。从合成方法到增韧机理的DN凝胶目前的知识几乎全部来自于通过实验化学连接的DN水凝胶。水凝胶中不均匀DN结构的分子建模和模拟已证明极具挑战性。最近，阿克伦大学郑洁教授团队开发了一个新的多尺度模拟平台，以计算方式研究了长时程物理化学连接的琼脂/聚丙烯酰胺（琼脂/PAM）DN水凝胶的早期断裂。

开发了“无规行走反应聚合”（RWRP）来模拟自由基聚合过程，该过程使单体能够构建物理化学连接的琼脂/PAM DN水凝胶，同时进行了常规的和转向的MD模拟以检查结构依赖性在松弛和变形状态下的能量耗散和断裂行为。集体模拟结果表明，琼脂/ PAM水凝胶的能量耗散归因于以下方面的组合：琼脂链从DN中抽出，DN结构之间和内部大量氢键的破坏以及水分子与两个网络之间的强烈关联，因此可以解释琼脂/ PAM水凝胶的另一种机械增强作用。这项计算工作提供了杂化DN水凝胶的网络结构，动力学，溶剂化和相互作用的原子细节，以及杂化DN水凝胶的不同的结构依赖性能量耗散模式和断裂行为，有助于设计具有新的网状结构的坚韧水凝胶高效的能耗模式。另外，RWRP算法通常可用于构建自由基聚合生产的水凝胶，弹性体和聚合物。相关论文以题为A multiscale polymerization framework towards network structure and fracture of double-network hydrogels发表在Nature旗下《npj Computational Materials》上。

【主图】

图1：琼脂/PAM DN水凝胶的计算聚合，使用“随机游动反应聚合”（RWRP）方案。

图2：琼脂/PAM DN水凝胶的网络结构。

图3：琼脂/PAM DN水凝胶中的网络相互作用。

图4：琼脂/PAM DN水凝胶和SN水凝胶中的水动力学。

图5：琼脂/PAM DN水凝胶的断裂。

【总结】

在合理设计和制造具有所需性能的高性能聚合物水凝胶时，对DN水凝胶的结构-性质关系的基本了解至关重要。尽管在设计，合成和论证具有优异机械性能的DN水凝胶方面已经进行了重大的实验和进步，但是在分子水平上对网络结构-相互作用-力学关系的理解仍然是未知的。在此，郑洁教授团队开发了一个多尺度计算平台，集成了RWRP，MD和SMD方法，以计算聚合琼脂/PAM DN水凝胶，然后与琼脂/ PAM DN水凝胶相比，研究了结构诱导的琼脂/ PAM DN水凝胶的机械增强。单个SN水凝胶。RWRP构造的琼脂/PAM DN水凝胶在更大程度上类似于网络结构和动力学，机械应力-应变行为以及水动力学的实验特性。琼脂SN，PAM SN和琼脂/PAM DN水凝胶之间的网络结构/动力学/相互作用的并排比较显示，琼脂/PAM DN水凝胶具有明显的断裂行为，在此过程中，首先将刚性琼脂分子从螺旋束中拉出通过破坏氢键，链缠结和水缔合，所有这些都有助于在整个网络中有效地耗散能量，从而承受较大的机械变形。这项计算工作由单体构建了DN水凝胶，并研究了原子细节处的早期断裂行为。RWRP协议允许根据新的坚硬材料的结构-相互作用-力学关系进行计算设计和预测。

参考文献：doi.org/10.1038/s41524-021-00509-5

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