水凝胶因其独特的导电性、柔性和三维网络结构，在可穿戴电子设备、软体机器人、生物医学及固态电解质等领域应用广泛。然而，传统水凝胶因缺乏能量耗散机制，易发生应力集中，导致抗拉强度和韧性不足。尽管研究者通过双网络构建、有机-无机杂化等策略提升了性能，同时实现高断裂强度与高韧性仍是巨大挑战。

西南林业大学杜官本院士、杨龙研究员、Wan Jianyong博士研究团队，利用碳点（CDs）诱导结晶域并整合“钉扎效应”取向调控，开发出兼具超高强度、韧性和稳定性的聚乙烯醇（PVA）水凝胶。该材料抗拉强度达156 MPa，韧性高达225 MJ m⁻³，远超工程塑料、橡胶甚至天然肌腱。CDs作为纳米级成核位点，在PVA网络中形成致密结晶域作为物理交联点，有效耗散能量并抑制裂纹扩展。该策略适用于多种CDs和聚合物体系，且水凝胶在水下保持稳定导电性，为水下运动传感和柔性超级电容器提供了新方案。相关论文以“A tough and robust hydrogel constructed through carbon dots induced crystallization domains integrated orientation regulation”为题，发表在《自然·通讯》上。

材料设计与表征

研究以柠檬酸制备碳点（CDs），透射电镜显示其粒径约3 nm且分布均匀（图1b）。拉曼光谱（图1c）和X射线衍射（图1d）证实CDs具有高石墨化程度和丰富含氧官能团。通过将CDs引入PVA水凝胶（图1e），诱导形成结晶域，再经柠檬酸钠盐析和渐进拉伸构建有序结构（PVA-CDs-SP）。扫描电镜显示（图1f），取向调控后的水凝胶表面呈现明显纤维状结构，类似肌腱的致密排列。

图 1 |CDs 和 PVA-CDs-SP 水凝胶的制备。

CDs增强机制

添加10 wt% CDs的PVA水凝胶（PVA-CDs）抗拉强度从0.27 MPa提升至9.36 MPa（图2a）。FT-IR和拉曼光谱（图2c,d）表明CDs通过氢键增强聚合物链相互作用；低场核磁共振（图2e,f）证实其束缚水分子能力显著提升（T₂从43.98 ms降至6.29 ms）。XRD分析（图2h）显示CDs使结晶度从15.4%增至26.1%，小角X射线散射（SAXS）进一步揭示结晶域数量增加而非尺寸增大（层间距从5.41 nm缩至4.35 nm，图2j）。

图 2 |水凝胶的机械性能和通过添加 CD 进行增韧调整。

钉扎效应突破性能极限

基于钉扎效应的取向结构使PVA-CDs-SP水凝胶抗拉强度达154.5 MPa，韧性达210.3 MJ m⁻³（图3a,b）。相比纯PVA，其强度、模量和韧性分别提升53,807%、514,581%和32,853%（图3d）。该策略通用性强：苹果酸、单宁酸等生物质衍生的CDs均能制备高强韧水凝胶（图3e,f）。其性能超越人造蛛丝、凯夫拉等材料（图3h），单根水凝胶纤维可承受30 kg重量（相当于自重的15万倍），多股编织的“水凝胶绳”甚至可拉动2吨汽车（图3j-l）。

图 3 |由“钉扎效应”诱导的坚韧而坚固的水凝胶的机械性能。

取向调控强化机制

盐析-拉伸协同作用使结晶度从26.1%（PVA-CDs）增至49.05%（PVA-CDs-SP，图4f）。SAXS二维衍射环变为弧形（图4g），赫尔曼取向参数达0.794（图4h），证实高度有序排列。偏振显微镜显示拉伸至400%时晶体沿力方向定向生长，钉扎效应锁定非晶链运动，使裂纹扩展需消耗更高能量。

图 4 |水凝胶的增韧机制。

水下传感与储能应用

PVA-CDs-SP水凝胶经1100次30%应变循环后仍保持稳定力学响应（图5a-c），溶胀率仅3%（补充图25）。其电导率受温湿度影响小（图5e,f），应变传感系数（GF）为0.214-0.567，在空气、海水等环境中实时监测手指/手腕弯曲信号稳定（图5i,j）。用作固态电解质时（图6a），组装的超级电容器比电容达91.5 F g⁻¹（0.2 A g⁻¹），8000次循环后容量保持率近100%（图6e），CV曲线呈理想矩形（图6b）。

图 5 |用于水下传感。

图 6 |使用 PVA-CDs-SP 水凝胶作为准固态电解质的超级电容器的电化学性能。

总结与展望

该研究通过碳点诱导结晶域与钉扎效应取向调控，创立了制备超强韧水凝胶的普适性策略。其突破性性能解决了水凝胶机械强度与韧性的长期矛盾，水下稳定性和导电性更拓宽了在柔性传感、软体机器人及新能源器件中的应用场景。未来可进一步探索生物质衍生CDs的规模化制备，推动该技术向可穿戴设备和仿生工程材料领域转化。