聚合物凝胶作为一类典型的类组织工程软材料，在装备动力传动系统、致动器和机器人、能源装备、生物医疗工程、柔性生物电子、化妆品等领域具有广阔的应用前景。凝胶的工程应用需面对不同的环境工况条件，对聚合物凝胶的机械/力学性能及相关功能进行调控，是该领域科学研究的重要前沿之一。
图1. 具有优异力学性能聚合物凝胶的典型应用和评价参数
近期，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室合成润滑材料研究团队与湖北大学材料科学与工程学院合作，在聚合物凝胶力学调控的分子机制和工程策略方面发表相关综述文章，阐述了聚合物凝胶的力学机制、调控策略和仿生制造原理方法，展望了聚合物凝胶潜在的应用领域和未来发展前景。
图2. 聚合物凝胶的力学机制与调控策略
文章提出了耦合多种相互作用构筑网络结构，实现聚合物凝胶可定制化及调控其力学性能的策略。研究显示，力学调控的分子工程可在分子尺度上编辑分子结构、操纵官能团引入非共价相互作用，及利用可逆的动态键作为有效的力学耗散能等赋予凝胶材料不同的性能。研究认为，凝胶的调控机制主要依赖于聚合物网络效应、交联剂效应、非共价相互作用、纳米晶域、链缠结以及分子的立体化学效应，而力学调控的结构工程策略主要是优化体相网络以构建高阶耗散结构，包括溶剂相调控及新颖构筑策略、发挥机械化学/力效应、发展机械互锁结构以及对异质模量进行调节等。
基于力学调控在分子工程和结构工程的多种调控策略，研究发现分子和结构尺度的耦合不仅会获得极端力学性能，而且为物理和化学多种属性之间的兼容提供了可操纵手段。作者融合凝胶材料的力学机制和仿生制造方法，提出了“协同方法学”(synergistic methodology)的调控思想。在力学性能方面，协同方法学主要是指将分子工程和结构工程的各种调控策略完美地集成在同一体材料中，实现不同力学属性之间的权衡，尤其在强度、韧性、弹性、疲劳、黏附等；在凝胶功能方面，协同方法学主要指实现力学性质与电学、光学、生物摩擦学等性质之间的兼容。聚合物凝胶构筑协同方法学从材料性能和功能两个调控视角出发，为解决材料互不相容性质之间的冲突提供了新思路，对设计制备具有优异性能与特殊功能的新型聚合物凝胶材料具有重要的参考价值和理论指导作用。
相关研究工作以“Mechanical Regulation of Polymer Gels”为题，发表在Chemical Reviews (2024，https：//doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00498)上。中国科学院大学博士生许成功为该论文第一作者，中国科学院院士、兰州化物所刘维民研究员，兰州化物所黄金霞副研究员和湖北大学郭志光教授为共同通讯作者。
上述工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项(B类)等的支持。
图3. 协同方法学(synergistic methodology)在互不相容性质的兼容性作用
