瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员发现，一种专为3D打印而设计的软材料还能解决材料科学领域的一个棘手难题：制造出既能抵抗断裂又能抵抗疲劳的弹性体。这项于7月13日发表在《科学进展》（Science Advances）上的研究表明，双网络颗粒弹性体（DNGE）的断裂韧性比同类弹性体高出15倍，抗疲劳强度也高出3倍。
双网络颗粒状弹性体。（图片来源：瑞士洛桑联邦理工学院SMaL实验室和《科学进展》杂志）
DNGE（双网络弹性体）最早由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）软材料实验室（SMaL）于2024年推出。它们是一种类似橡胶的材料，由微小的弹性体颗粒通过更柔软的弹性体网络连接而成，最初设计用作3D打印墨水，用于构建具有精细调控机械性能的结构。其韧性令人惊喜。
“最初，我们的重点是提高材料的加工性能，但当我们获得这种颗粒状结构后，我们发现这些材料也非常坚韧，”SMaL负责人埃丝特·阿姆施塔德说道。“然后，我们意识到这种韧性很大程度上来自于重复的能量耗散机制——这种材料可以反复吸收能量而不会发生不可逆的断裂。”
双网络结构是关键所在。拉伸时，材料会将机械应力从刚性微粒转移到微粒间较软的区域。在那里，应变能通过聚合物链的滑动和重排耗散，而不是通过永久性键断裂。裂纹也不会沿直线扩展。它们被迫穿过微粒间的较软区域，沿着蜿蜒的路径扩展，从而减缓其生长速度。正是这种结构使得双网络弹性体克服了通常的权衡取舍：抗断裂弹性体在反复应力作用下容易累积损伤，而抗疲劳弹性体在突发载荷作用下容易断裂。
Amstad 对此进行了简单的描述：“本质上，两种不同的网络——一种由颗粒状弹性体粒子组成，另一种由柔软的弹性体组成——在它们之间共享机械应变，从而使材料整体更加坚固。”
该团队认为，这种材料可应用于软体机器人、柔性电子产品和生物医学设备等领域，这些领域的组件需要长期承受反复应力。他们已经在致力于提升材料的可持续性，包括可生物降解的弹性体和由回收材料制成的弹性体。“我们的目标是在不影响机械性能的前提下，采用更可持续的材料，”Amstad说道。“通过扩大可使用材料的范围，我们不仅可以减少DNGEs的环境足迹，还可以让任何拥有商用3D打印机的实验室都能更方便地使用它们。”
来源：actu.epfl.ch
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