在航空航天、国防装备和电子器件防护等关键领域，材料抵御突发机械冲击的能力直接关系到系统安全与人员生命。传统抗冲击材料，如工程泡沫和纤维复合材料，虽然能够通过塑性变形、可控断裂等不可逆过程耗散能量，但其固有的硬度和刚性难以满足日益增长的软体应用需求。水凝胶作为一种富有潜力的软材料，近年来在柔性电子、软体机器人和生物医学工程领域展现出广阔前景。然而，绝大多数针对高强度水凝胶的研究都集中在准静态条件下的力学行为，而非真实冲击场景。在高应变率加载下，水凝胶内部固有的松散连接网络难以实现有效的应力传递和能量耗散，同时水分子的溶剂化效应会进一步破坏聚合物链间的相互作用，这构成了水凝胶抗冲击性能提升的核心挑战。
针对这一难题，新加坡国立大学翟玮教授团队提出了一种巧妙的离子耦合策略，成功开发出一种具有卓越抗冲击性能的复合水凝胶。该复合水凝胶由聚乙烯醇（PVA）基体、壳聚糖-海藻酸钠纳米纤维（CSNFs）增强网络以及作为多功能离子耦合剂的柠檬酸钠（SC）构成。研究显示，SC通过多重机制协同增强了复合体系的各个组分：其柠檬酸根离子通过霍夫迈斯特效应强化了PVA基体的结晶度；同时，通过去溶剂化和静电交联作用加固了CSNF网络；更重要的是，它显著改善了纤维与基体之间的界面结合，实现了高效应力传递和能量耗散。最终制备的复合水凝胶在7000 s⁻¹的高应变率下，展现出惊人的426.7 MPa抗冲击强度和106.4 MJ m⁻³的冲击韧性，这一性能甚至超越了工业标准的工程塑料，如增强聚碳酸酯（PC）和Kevlar织物复合材料。相关论文以“Superior Impact-Resistant Composite Hydrogels Through an Ionic Coupling Strategy”为题，发表在Advanced Materials上。
图1 抗冲击复合水凝胶制备策略示意图。a) 超声诱导组装制备壳聚糖-海藻酸钠纳米纤维（CSNFs）。b) 使用柠檬酸钠的离子耦合策略协同增强CSNF-PVA复合水凝胶。c) 通过溶剂蒸发形成层状微观结构。d) 抗冲击水凝胶的分级复合结构，包括溶剂蒸发形成的层状微观结构、共增强的纤维和基体网络、增强的纤维-基体界面以及分子水平的相互作用。
为了验证其抗冲击性能，研究团队采用了分离式霍普金森压杆（SHPB）进行测试。结果显示，随着加载速率增加，CPS水凝胶的冲击应力和应变均显著增长，表现出强烈的应变率敏感性，这意味着它能通过有效的能量耗散适应不同冲击条件。在最高应变率7000 s⁻¹时，其性能超越了大多数已报道的抗冲击水凝胶和弹性体。更为直观的是，一片仅1毫米厚的CPS水凝胶，即可保护脆性玻璃板在0.5米高度落下的钢球撞击中完好无损（如图2d所示）。在落球冲击测试中，相比于纯PVA和未加SC的CP水凝胶，CPS水凝胶将峰值力从3.22 N降至2.34 N，减少了27.4%，同时将冲量（力-时间积分）几乎减半至0.12 N·s，充分证明了其卓越的力衰减和动量耗散能力。进一步的动态力学分析揭示，CPS水凝胶的损耗因子tanδ高达0.23，是纯PVA水凝胶的5倍以上，这从微观层面证实了其阻尼能力的巨大提升。
图2 卓越的抗冲击强度和阻尼能力。a) 分离式霍普金森压杆装置示意图。b) CPS水凝胶在递增应变率下的冲击应力-应变曲线。c) 与文献报道的聚合物材料的抗冲击强度和韧性对比。d) 落钢球冲击测试显示1 mm厚的CPS水凝胶对玻璃板的保护效果。e) PVA、CP和CPS水凝胶落球冲击测试的力-时间曲线（下落高度：63.5 cm），以及峰值力、峰值力降低和冲量的定量比较。f) PVA、CP和CPS水凝胶在0.1至100 Hz频率范围内的储能模量（G'）和损耗模量（G''）及g) 损耗因子。
在准静态力学性能方面，CPS水凝胶同样表现卓越。通过系统的单轴拉伸测试发现，其力学性能从PVA到CP再到CPS逐步提升。纯PVA水凝胶的拉伸强度仅为4.7 MPa，断裂应变为330%；引入CSNFs后，CP水凝胶的强度提升至9.7 MPa，应变达到460%；而经SC处理后，CPS水凝胶的拉伸强度达到了惊人的54.2 MPa，断裂应变高达590%，韧性更是达到了150 MJ m⁻³。与原始PVA水凝胶相比，强度和韧性分别提升了一个数量级以上（11倍和23倍）。这种同时提升强度和韧性的组合在材料设计中极具挑战，因为高刚度通常意味着分子链运动受限，能量耗散能力下降。此外，通过拉伸诱导取向，研究团队还制备了取向CPS水凝胶（OCPS），其拉伸强度进一步提升至76.0 MPa。循环拉伸测试显示，CPS水凝胶具有显著的迟滞回线（迟滞系数71%），表明其存在超越PVA本征粘弹性的独特能量耗散机制。其优异的抗穿刺性能也同样令人瞩目，最大穿刺力达107.6 N，吸收能量1.57 J，均为纯PVA水凝胶的9倍以上。扫描电镜观察其断裂面，发现了极其粗糙且不规则的形貌，伴有层状撕裂、明显的纤维桥接和拔出，这些都是多重能量耗散机制的直接证据。
图3 卓越的准静态力学性能。a) PVA、CP和CPS水凝胶的典型拉伸应力-应变曲线。b) PVA、CP和CPS水凝胶的杨氏模量和韧性。c) CPS和OCPS水凝胶的拉伸强度和断裂应变与文献报道的坚韧水凝胶对比。d) 与文献报道的水凝胶的韧性和拉伸强度对比。e) PVA和f) CPS在递增最大应变下的循环拉伸应力-应变曲线。g) 穿刺测试的力-位移曲线。h) PVA、CP和CPS水凝胶的穿刺力和能量对比。i,j) CPS水凝胶在两种不同放大倍数下的断裂表面形貌，显示出粗糙的形态、层状撕裂和纤维拔出。
研究团队深入探究了SC的多重增强机制。差示扫描量热法（DSC）和X射线衍射（XRD）分析表明，SC的霍夫迈斯特效应显著提高了PVA基体的结晶度，CPS水凝胶的熔融温度（Tm）从CP的224°C提升至231°C，结晶峰强度也大幅增加。小角X射线散射（SAXS）进一步证实，SC促进了PVA链的紧密堆积，形成了更完善的晶区结构。对于CSNF网络，X射线光电子能谱（XPS）检测到了401.8 eV处的新峰，这对应于质子化氨基（-NH₃⁺）的形成，证实了SC的羧酸根与CSNF氨基之间产生了强烈的静电相互作用。密度泛函理论（DFT）计算量化了这些分子间作用力：CSNF与SC之间的结合能最高，达到-18.0 kcal mol⁻¹，远超CSNF-PVA（-12.1 kcal mol⁻¹）和PVA-PVA（-8.0 kcal mol⁻¹）的氢键结合能，这为SC作为高效“离子耦合剂”提供了理论依据。
图4 SC对基体和纤维网络的共增强效应。a) PVA、CP和CPS水凝胶的DSC曲线，b) XRD谱图，c) SAXS谱图。d) CP和CPS水凝胶的N 1s XPS谱图。e) CPS水凝胶中分子相互作用的示意图。f,g) 组分间结合能的DFT计算，包括PVA-PVA氢键、CSNF-PVA氢键和CSNF-SC静电相互作用。
最后，为了揭示CPS水凝胶在动态载荷下的界面行为，研究团队进行了分子动力学（MD）模拟。他们建立了一个非线性剪切滞后模型，模拟了纳米纤维与PVA基体之间的相对滑动。模拟结果清晰地展示了典型的“粘-滑”界面动力学行为：在“粘”阶段，界面缓慢滑动并积累应力；在“滑”阶段，应力突然释放。与CP水凝胶相比，SC介导的界面（CPS）能够承受更高的剪切应力才发生滑移，并且在每次滑移事件后的应力降更小，表明其界面能更快、更有效地进行“脱粘-再键合”的动态过程。这种在分子尺度上增强的界面相互作用，在介观尺度上转化为集成纤维网络的协同作用、纤维拔出和界面滑移，共同贡献于应力的重新分布和能量的耗散，最终赋予了水凝胶宏观上卓越的抗冲击性能。
图5 增强的界面能量耗散。a) CPS水凝胶在变形过程中的界面滑动示意图。b) CP和c) CPS水凝胶的分子动力学模拟模型。d) CP和CPS水凝胶的界面位移曲线和e) 应力曲线。f) CPS水凝胶在剪切过程中界面滑动动力学的模拟快照。
综上所述，这项研究成功开发了一种基于柠檬酸钠离子耦合策略的复合水凝胶，通过协同增强聚合物基体、纳米纤维网络及其界面，实现了卓越的抗冲击性能。其在高应变率下的冲击强度与韧性超越了许多高性能固体聚合物材料，同时保留了软材料的优异拉伸性能。通过结合实验与多尺度模拟，该工作不仅揭示了水凝胶内部从分子到宏观尺度的层级能量耗散机制，更提出了一种简单而强大的材料设计范式。这种集强度、韧性和阻尼能力于一体的新型水凝胶，为软材料在冲击防护、减震和能量吸收等极端条件下的应用开辟了全新机遇，有望应用于下一代柔性装甲、高性能运动护具以及易损电子器件的可靠保护。
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