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当聚合物网络被拉伸时，一些聚合物链不承受负载。例子包括环状的线，悬垂的线和非常长的线。然而，当聚合物网络浸入溶剂中时，所有的链都与溶剂分子混合。承受负载的链和不承受负载的链之间的区别导致我们修改Flory-Rehner模型。修正后的模型有三个参数：承载链密度N、所有链密度M和相互作用参数χ。对于浸没在溶剂储罐中并承受三轴应力的聚合物网络，修正后的模型提供了应力与拉伸的状态方程，以及储罐中溶剂分子的化学势和温度。我们使用不同浓度的单体、交联剂和转移剂前驱体合成聚丙烯酰胺水凝胶。我们通过将修正模型与几个实验拟合，确定了三个参数N、M和χ，包括自由溶胀、快速拉伸和应力松弛。在所有测试的样本中，M是N的几倍，而χ几乎是恒定的。这项工作证明了聚合物网络中的一些聚合物链承担负载，但所有的聚合物链都有助于溶胀这一概念。
生物组织，如软骨、肌腱、韧带、皮肤和植物细胞壁，同时实现高含水量和高承载能力。高含水量有利于养分和废物的运输，高承载能力为生物体提供了结构支撑。这些功能是通过纳米结构实现的。这一生物学事实启发了合成模仿者，但同时实现这两种功能一直具有挑战性，主要难点是构建具有高承载能力的纳米结构，该结构具有多种特性，包括弹性模量、强度、韧性和疲劳阈值。在这里，我们开发了一种使用水凝胶玻璃形成聚合物自组装纳米复合材料的过程。该过程将聚合物分离为水凝胶相和玻璃相。这两个相限制在纳米尺度上并且是双连续的。在水中，纳米复合材料保持结构并抵抗进一步膨胀。我们展示了使用商业聚合物可以实现高含水量以及可与聚乙烯相媲美的承重能力。在这个过程中，存在橡胶阶段，使我们能够制造出复杂形状和精细特征的物体。我们进行了进一步的实验，以讨论可能的阻相分离、溶胀阻力和延展性的分子起源。纳米复合材料的潜在应用包括人工组织、高压过滤器、低摩擦涂层和固体电解质。
许多活组织通过具有强粘附性的架构组成来实现功能。以跟腱为例，它通过软蛋白多糖基质中坚硬的胶原原纤维的交错排列，有弹性地、重复地将力从肌肉传递到骨骼。胶原原纤维排列整齐，与蛋白多糖紧密结合。然而，合成具有强附着力的架构组成材料一直具有挑战性。本文采用顺序聚合和光刻法制备了架构结构聚合物网络，并通过拓扑纠缠得到了粘接界面。我们通过在软基质的拓扑纠缠中嵌入硬块来制作受肌腱启发的水凝胶。交错结构和强附着力使高弹性极限应变和高韧性同时实现。这种属性的组合在应用中通常是需要的，但很少在合成材料中实现。我们进一步展示了各种几何图案和材料组合的聚合物体系结构网络，以展示扩展材料性能空间的潜力。
材料破裂的条件通常因样品而异。对于应用来说，罕见事件破裂的条件是非常重要的，但其测量需要大量的样品和消耗大量的时间。在这里，通过开发一个高通量实验来测量罕见事件破裂的条件。在每一轮实验中，1000个样品在相同的标称条件下打印，并同时拉到相同的拉伸。通过处理实验视频，可以自动识别单个样品的破裂。在单调荷载作用下，记录每个试样的断裂拉伸。在循环载荷下，每个样品的破裂循环次数也被记录下来。采用Weibull和超阈峰法对罕见事件破裂进行了研究。这项工作再次证明了预测罕见事件需要大量的数据库，高通量实验使罕见事件的预测具有较高的准确性和置信度。
在氯化钠(NaCI)水溶液中，聚(N -异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝胶可以处于两种相之一：溶胀相和塌陷相。我们测量水凝胶的平衡体积作为温度T和离子浓度y的函数。当T和y较低时，水凝胶处于溶胀相，当T和y较高时，水凝胶处于塌陷相。我们建立了一个热力学模型，其中自由能是体积、温度和离子浓度的函数。自由能还包含几个可调整的参数，我们将其作为T和y的函数与体积的实验数据最好地拟合。对于给定的一对T和y，自由能是体积的函数。该函数对于某些(T, y)对只有一个最小值，但对于其他(T, y)对有两个最小值和一个最大值。在前者中，单个最小值对应于溶胀或塌陷状态。在后者中，较低的最小值对应于平衡态，较高的最小值对应于亚稳态，而最大值对应于不稳定态。当两个最小值相等时，水凝胶发生相变。相变条件用(T, y)平面上的曲线表示，热力学模型很好地反映了实验数据。
金属电极虽然常用，但与脑组织不相容，经常导致损伤，无法实现长期植入。在这里，我们报告一个硬膜下神经界面水凝胶作为离子导体，弹性体作为介电。我们证明，它引起的胶质反应和脑血管破坏比金属电极少得多。使用猫模型，水凝胶电极能够记录电信号的质量与金属电极相当，水凝胶-弹性体神经界面也易于实现多模态功能。水凝胶和弹性体都是透明的，可以在体内进行光学显微镜观察。用双光子显微镜对脑血管和钙信号进行成像。这种新电极与磁共振成像兼容，不会产生伪影。这样一种新的多模态神经接口可以代表立即在神经科学研究和临床神经学的广泛应用领域使用的机会。
眼睛把光信号转换成离子信号。这里用一个光电二极管与离子导体(如水凝胶)接触来模拟这种转导。光子在光电二极管中产生电子-空穴对。光电二极管/水凝胶界面形成电容耦合，使得光电二极管中的电子和空穴的运动诱导水凝胶中的离子的运动。这种水凝胶可以很容易地制成可拉伸的和生物相容性的，以模仿神经的功能。当光线被打开和关闭时，水凝胶之间的电压反应在10毫秒内，与人眼的反应相当。光敏皮肤被证明在光的响应下产生电压但不产生拉伸。此外，光敏驱动被证明模仿光触发反射，如眨眼的眼睛和伪装的皮肤。光离子换能器在可穿戴设备、可植入设备和机器人技术中具有潜在的应用价值。
韧性组织胶粘剂的最新发展引起了材料科学家和医生的极大兴趣。然而，这些胶粘剂很少在临床要求高的手术中进行测试。我们在此展示中的粘连吻合。吻合通常采用密合线，但操作时间长，吻合过程中所有血管都被堵塞。长期闭塞可能损害器官，甚至导致死亡。我们制定了一种坚韧的、生物兼容的、生物可吸收的粘合剂，可以维持组织张力和加压流动。我们将血管的内皮表面暴露在一个垫片上，用一对磁环将两个内皮表面压到粘合剂上，然后立即重新打开血流。粘连吻合的时间较缝合吻合的时间缩短。我们在猪肝移植中实现了大静脉的粘连吻合。手术后，粘合剂被吸收，静脉愈合，猪存活超过一个月。
聚丙烯酰胺水凝胶具有近乎完美的弹性：它的应力-拉伸曲线是速率无关的，具有可忽略的迟滞。接近完美的弹性是由于聚合物链之间有大量的水，而水具有低粘度并润滑聚合物链。在这里，我们报道了聚丙烯酰胺水凝胶在聚合物链较长时表现出速率依赖的韧性。我们对这一发现的解释如下：韧性是通过破坏含有预切割裂纹的水凝胶来测量的。当水凝胶被拉伸时，在裂缝尖端，一些聚合物链相对于其他聚合物链滑动。在聚合物链断裂之前，高的张力分布在长链上。破坏这条链则释放了储存在长链中的能量。正是这种张力的分散使水凝胶变韧。然而，当水凝胶以很高的速度拉伸时，裂缝尖端的聚合物链没有时间完全滑动，因此高张力只在链的一小段上传递，断链将导致较低的韧性。因此，韧性随着拉伸速率的增加而降低。我们援引了一个剪切滞后模型，发现韧性随拉伸率的变化而变化，为Ge ~ (dλ/dt)-1/4。
在许多应用中，玻璃织物受到循环力的作用。在这里，我们表明玻璃织物可以在比单调力低得多的循环力下撕裂。对于给定宽度的样品，在循环载荷作用下，存在一个阈值力使织物不撕裂，在单调载荷作用下存在一个临界力使织物撕裂。例如，对于80 mm宽的试样，阈值力为12.78 N，临界力为344.73 N，在阈值力与临界力之间振幅的循环力作用下，经过一定次数的循环后撕裂开始。在循环力和单调力作用下，织物有三种撕裂方式:横向纱拉出、横向纱拉出和纵向纱断、横向纱和纵向纱断。总结了在力幅和试样宽度两轴平面上观察到的撕裂模式。希望本研究对抗疲劳织物和织物增强复合材料的开发有所帮助。
在凝胶和弹性体中，纠缠对变形的作用已经被研究过，但它们对断裂、疲劳和摩擦的影响还不太清楚。在这项研究中，我们合成的聚合物中纠缠的数量大大超过交联的数量。密集的纠缠使得聚合物链中的张力可以沿着它的长度传递到许多其他链。稀疏的交联阻止了聚合物链的解缠。这些聚合物具有高韧性、高强度和抗疲劳性。在浸入水中后，聚合物溶胀至平衡状态，由此产生的水凝胶具有低滞回、低摩擦和高耐磨性。
超级电容器需要两个大表面积的电子导体，由离子导体隔开。在这里，我们演示了一种方法来打印一个高度可拉伸的超级电容。我们将石墨烯薄片和碳纳米管与有机溶剂混合，制成一种墨水，并使用墨水在介电弹性体表面打印两个交错的电子导体。然后我们将打印的电子导体浸入由单体、光引发剂、交联剂和盐组成的水溶液中。有机溶剂和水形成离子可流动的二元溶剂。在紫外线照射下，聚合物网络形成。在每个打印电极中，石墨烯薄片和碳纳米管形成一个渗透网络，该网络穿插在聚合物网络中。电子导体和离子导体形成大的界面面积。当超级电容被拉伸时，石墨烯薄片和碳纳米管相对滑动，聚合物网络通过熵弹性变形。聚合物网络捕获单个石墨烯薄片和碳纳米管，因此重复拉伸既不会破坏渗透网络，也不会使两个电极短路。经过1600次拉伸到5倍初始尺寸后，超级电容保持88%的初始电容。弹性聚合物链的共价网络和导电粒子的渗透网络的相互渗透通常适用于制造可拉伸的离子电子器件。
聚氨酯(PU)弹性体具有高耐磨性、优良的机械性能、生物相容性和良好的加工性能等综合优点，是应用最广泛的类橡胶材料之一。PU弹性体表现出明显的滞回性，导致高韧性达到10000 J/m2量级，而在循环载荷作用下，由于迟滞而获得的韧性对裂纹扩展没有有效的抑制作用，疲劳阈值低于100 J/m2。在这里，我们报道了一种抗疲劳的PU纤维基复合材料，使用商用氨纶作为纤维和PU弹性体作为基体。氨纶纤维坚硬、结实、可拉伸。复合材料是柔软的、坚韧的、可拉伸的。我们描述了一种拉拔试验来测量纤维与基体之间的粘附韧性，该试验重复性高，显示粘附韧性为3170 J/m2。复合材料的最大拉伸性能为6.0、韧性为16.7 kJ/m2、疲劳阈值为3900 J/m2。当含有预切割裂纹的复合材料被拉伸时，软基体导致裂纹尖端严重钝化，从而在裂纹尖端前面的一长段氨纶纤维上分布高应力。这种应力的分散使复合材料在单调和循环载荷下能够抵抗裂纹的增长。PU弹性体复合材料为抗疲劳弹性体的实际应用打开了大门。
在手术过程中，外科补片通常通过缝合线和钉等紧固件固定在组织上。外科补片的属性包括生物相容性、柔韧性、强度和渗透性，但缝合线和钉可能导致应力集中和组织损伤。在这里，我们表明，通过开发水凝胶-网复合材料一类材料(HMCs)，外科补片的功能可以显著扩展。HMCs保留了外科补片的所有属性，并增加了一项即与组织的粘附性。我们通过用前驱体浸泡外科补片来制备HMC，在固化后，前驱体形成聚合物水凝胶，与外科补片的纤维发生宏观缠结。在手术中，HMC被压在组织上，水凝胶中的聚合物与组织形成共价键。为了演示这个概念，我们使用了聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)/壳聚糖水凝胶和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)外科补片。在生物偶联剂的存在下，壳聚糖与组织形成共价键，吸附能达到100 J-m-2以上。在体温下，PNIPAAm变得疏水，因此水凝胶不膨胀，粘附稳定。相比之下，缝合的外科补片，HMC使力分散在一个大的区域。体外实验研究了HMCs在伤口愈合方面的应用，特别是在高机械应力下的组织。在绵羊的手术中进一步研究了HMCs对动态活组织的作用。
水凝胶通常与其他材料结合在一起。在水凝胶涂层的一锅合成中，聚合、交联和互连是并行的。然而，这种并行性通常不适用于水凝胶与其他材料的集成。例如，渗透性基质会吸收溶液中的小分子，引起副反应甚至毒性。在这里，我们报道了一种利用光引发剂接枝聚合物链(PGPCs)打破并行性的方法：一种与各种单体共聚的光引发剂。PGPCs在合成过程中不交联，在黑暗储存中有很长的保质期，可以通过刷涂、铸造、旋转、浸渍、喷涂或打印的方式应用到基板上。在紫外线照射下，聚合物链交联成网状，并与衬底相互连接。通过力学试验对固化的PGPC水凝胶进行了表征。此外，PGPCs被证明可以粘附湿材料，在疏水基质上形成亲水涂层，并在渗透性基质上形成功能基团。
虽时间变化的磁场在电解质中产生电场，离子在其中运动。这种磁离子转导在这里以几种方式进行研究。该电解质是一种含有可移动离子的水凝胶，并与两个金属电极接触。交流电作用在金属线圈上，产生随时间变化的磁场。作为回应，水凝胶中的离子移动。两个水凝胶/电极的界面是非法拉第的，并积累了过量的相反符号的离子，吸引和排斥两个电极中的电子。当两个电极连接到一个内阻比水凝胶大得多的电压表上时，一个开路电压被测量出来，与施加到金属线圈上的交流电成线性。金属线圈和水凝胶线圈构成一个离子电子变压器，其中金属线圈中的交流电诱导水凝胶线圈中的交流电。这种变压器可以用于非接触式电力传输，其电压高到足以串联起许多发光二极管。这种水凝胶很软，很容易贴合曲面，就像人手上的手套一样，手的运动可以通过非接触式磁离子转导来检测。
生物组织，如心脏瓣膜和声带，通过复杂的形状和高抗疲劳能力发挥作用。用合成材料实现这两种特性是迄今为止尚未遇到的挑战。这里我们用异质结构的水凝胶来迎接这个挑战。我们用立体光刻法制备了三维水凝胶骨架，用铸造法制备了水凝胶基体。骨架和基体都具有弹性和可拉伸性，但骨架比基体坚硬得多，它们的聚合物网络在拓扑上纠缠在一起。当这种水凝胶被拉伸时，基体的顺应性分散了骨架中的应力，并增强了抗疲劳能力。我们制作了一种均相水凝胶和一种非均相水凝胶，每一种都是人类心脏瓣膜的形状。在循环压力作用下，前者在560次循环后破裂，而后者在50,000次循环后完好无损。复杂形状和高抗疲劳性的软材料提供了广阔的应用机会。
使用脆性成分来形成韧性复合材料是很常见的方法。例如，陶瓷纤维和陶瓷基体是脆性的，它们的复合材料可以是韧性的，但前提是基体可以相对于纤维滑动。本文研究了速率依赖性滑移对韧性的影响。考虑一个穿过基体的裂缝，纤维是完整的，并连接了裂缝。复合材料受到与裂纹垂直的拉伸载荷。纤维和基体都具有弹性，两者之间的滑动应力与相对速度成线性关系。远离裂纹处，基体相对于纤维不发生滑动，变形具有弹性。在裂纹附近，基体相对于纤维滑移，变形是非弹性的。当施加载荷的速率较低时，滑动应力也较低，使每根纤维中的张力分布在较长的长度上。纤维的断裂会在纤维的长度方向上使得弹性能量耗散。这种应力的分散导致了高韧性。当施加载荷的速率较大时，滑移应力也较大，使纤维中的张力集中在裂纹面附近短的尺度内，这种应力的集中导致了低韧性。我们使用剪切滞后模型来模拟这种速率敏感韧性。纤维中的应变满足扩散方程。当复合材料在恒定应变速率下承受载荷时，在纤维断裂前，滑动区随时间增加而增大。我们讨论了各种材料的应力分散。
新兴韧性水凝胶的破裂问题近年来受到广泛关注。这是一个基本的问题，初始缺陷的长度可以显著影响一个坚韧的水凝胶的破裂。在这里，我们研究了韧性水凝胶的破裂，使用样品有和没有初始切割，在单调和循环载荷下。我们在相同的条件下制备了6个样品，分别是不初始切割和相同长度的初始切割，并对其进行单调加载，以检验测量的破裂应力、破裂拉伸和破裂功的统计变化。我们以相同的拉伸幅度平行循环六个样品，并记录每个样品破裂的循环次数。平均破裂周期数随拉伸幅度的增大而减小；并且存在一个疲劳拉伸应变（endurance stretch），在这个应变范围内，样品可以持续不确定的循环而不破裂。我们发现，当初始切割长度较长时，随着初始切割长度的增加，疲劳拉伸应变减小。当初始切割较短时，疲劳拉伸应变对初始切割长度不敏感。我们用材料特定的长度来解释这一发现，即疲劳断裂内聚长度（endurance fractocohesive length）。我们比较了水凝胶和其他材料(包括弹性体、塑料、金属和陶瓷)的疲劳断裂内聚长度。希望很快能对其他水凝胶进行类似的实验，以指导它们的开发。
我们研究了夹在两层不可拉伸的薄膜之间一层高度可拉伸的硅胶(Ecoflex)（厚度H、宽度B）的剥离情况。当剥离前缘在弹性体中稳步推进时，剥离力达到平台Fss，通常以2Fss/B的比值作为弹性体的韧性。我们的数据表明，这种“剥离韧性”并不总是一个材料常数，而是取决于厚度H和宽度B。我们根据断裂力学中的两个基本概念来解释这些数据。首先，随着B/H比值的增大，弹性体内部的变形由平面应力状态转变为平面应变状态，剥离前缘前方的应力状态由双轴向三轴张拉状态转变，我们发现弹性体在三轴拉伸下的应力比在双轴拉伸下的损伤更大；其次，当剥离前缘周围的非弹性区域小于H时，剥离处于大尺度非弹性条件下，剥离前缘前方的材料几乎处于均匀变形状态。在T/H和B/H轴的平面上，不同厚度的数据可以形成一条曲线.Yecheng Wang, Guodong Nian, Xuxu Yang, and Zhigang Suo. 2021. “
.” Mechanics of Materials, 158, Pp. 103845.
本文研究了胶粘剂和被贴体都具有弹性，但胶粘剂比被贴体软得多的搭接剪切情况。剪切滞后模型确定了一个长度，称为剪切滞后长度（shear lag length）Ls。粘结裂纹的能量释放率受胶粘剂和附着物弹性的影响。它们的相对重要程度由剩余连接长度L与剪力滞后长度Ls的比值来表征。在短接头极限L/Ls→0时，粘接物不变形，粘接物的弹性给出了能量释放率。在长接头极限L/Ls→o时，胶粘剂内部不变形，胶粘剂的弹性给出了能量释放率。剪力滞后模型给出了所有L/Ls值的能量释放率的近似表达式。只要裂纹与胶粘剂的厚度相当，该表达式与有限元计算结果非常一致。
.” Extreme Mechanics Letters, 44, Pp. 101225.
液态丙二醇(PG)长期以来一直被用作防冰物质，例如，被喷洒在停在机场的飞机上。在应用中，大量的PG会流失，这既昂贵又会引起环境问题。本文报道了丙二醇材料，包括PG-凝胶和PG-凝胶/棉复合材料。PG-凝胶由作为溶剂的PG分子和聚合物网络组成。PG蒸发缓慢，只要凝胶不与流水接触，聚合物网络就会保留PG分子。水和PG形成共晶体系，共晶温度为-60℃。当冰落在凝胶表面时，冰和PG分子会争夺水分子，热力学上冰应该失去水分子而输给PG分子，这样冰就会融化，水分子就会溶解在凝胶中。在冰/凝胶界面上存在一层类似液体的层，凝胶与冰之间的粘附能较低，冰容易在凝胶上滑动。我们从冰上剥离PG-凝胶，在-35℃左右的温度下测量到~3 J m-2的低粘附能。我们进一步证明了PG-凝胶/棉花复合材料是坚韧的防冰毯。如果通过脱水去除水分，并通过将毯子浸入液体PG中补充PG，毯子是可重复使用的。
.” National Science Review, 8, 2, Pp. nwaa254.
水凝胶是在水中溶胀的天然或合成聚合物网络，它可以在机械、化学和电方面与活组织兼容。自1960年水凝胶隐形眼镜发明以来，水凝胶在医疗应用方面的研究和开发一直很迅猛。近年来，功能水凝胶涂层已在各种基材上实现控制厚度和坚韧附着。水凝胶涂层的基质结合了水凝胶的优点，如润滑性、生物相容性和抗生物污垢性能，以及基质的优点，如刚度、韧性和强度。本文就功能水凝胶涂层的三个方面进行综述：(i)水凝胶涂层所能实现的应用和功能，(ii)用具有强附着力的不同功能性水凝胶涂覆各种基材的方法，以及(iii)评估功能性水凝胶涂层与基材之间附着力的试验。最后给出了本文的结论和展望。
.” Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 150, Pp. 104348.
搭接剪切和剥离是软材料的常用试验。然而，他们的结果很少被比较。在这里，我们比较搭剪和剥离作为测试韧性。我们通过使用坚硬的层夹在一层聚丙烯酰胺水凝胶中来准备两种测试的样品。我们用剪刀在水凝胶上切一个缺口，以恒定的速度拉一层硬层，并记录力。在搭接剪切中，力达到峰值后下降到零，缺口在整个水凝胶中不稳定增长，峰值力用于确定韧性。在剥落过程中，力先达到峰值后下降到一个平台，在水凝胶中缺口在稳定状态下增长，平台力用来确定韧性。实验数据表明，搭接剪切法和剥离法测定的韧性平均值具有可比性。两种试验的峰值力均显著离散，但剥落的平台力分散较窄。因此，由搭接剪切决定的韧性比由剥离决定的韧性离散的更多。我们假设，峰值力的离散主要是由于剪刀所做的切割的统计变化，并使用另外两组实验来检验假设。首先，在用剪刀切割后，我们先对试件进行预剥，使切口稍微延伸一些，然后用搭剪和剥来测量韧性。搭接剪切峰值力分散较小，剥离峰值力被消除。其次，我们使用不同厚度的间隔片制备切割，发现搭接剪切和剥离的峰值力都随间隔片厚度的变化而变化。这些发现澄清了使用搭接剪切和剥离来表征软材料。
.” Extreme Mechanics Letters, 43, Pp. 101182.
在之前的一篇论文中(Zhang et al.， 2020)，刚制备的长链聚合物网络水凝胶黏合剂表现出高疲劳阈值~300 J/m2。然而，在大多数应用中，水凝胶黏合剂是与水接触的，长链水凝胶在水中溶胀并降低疲劳阈值。在这里，本文展示了一种耐溶胀和抗疲劳的水凝胶粘合剂，即与短链微凝胶拓扑纠缠的长链聚合物网络。短链微凝胶抑制溶胀，长链网络保持较高的疲劳阈值。水凝胶黏合剂在水中溶胀至平衡状态后，不含微凝胶的长链网络黏合剂的疲劳阈值为61 J/m2，而含微凝胶的长链网络黏合剂的疲劳阈值为262 J/m2。
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