鎖志剛教授，1985年畢業於西安交通大學力學系，之後赴美留學， 1989年獲得哈佛大學博士學位。之後先後加入美國加州大學聖巴拉拉分校和普林斯頓大學任終身教授，2000年受聘於西安交通大學兼職教授，2003年7月任美國哈佛大學終身教授。2008年當選美國國傢工程院院士。2019年5月，當選為美國國傢科學院院士。研究集中於材料和結構的力學行為，包括由各種力驅動的斷裂，變形，極化和擴散。應用涉及微電子，軟材料，活性材料和鋰離子電池等。（鎖志剛教授課題組主頁：https://suo.seas.harvard.edu/）目前已發表論文458篇，被引超過4萬次，H指數116。（數據來源：scopus數據庫）

2020年，鎖志剛教授在水凝膠材料及水凝膠離子電子學、離子彈性體、軟材料粘接力學、可拉伸彈性體及應用等領域進行瞭多項開創性研究，發表近20篇論文，包括

Science

；Advanced Materials；Materials Today；Nano Letters等，研究成果被同行廣泛關註和引用，本文主要簡介鎖志剛教授2020年頂刊工作，供大傢學習交流。水凝膠材料及水凝膠離子電子學1. Materials Today：抗疲勞凝膠材料可拉伸材料（如彈性體、水凝膠、有機凝膠和離子凝膠）在組織修復、藥物輸送、機器人、離子電子、生物電子、合成生物學，以及可穿戴設備中都有廣泛應用。當這些材料承受負荷時，必須能抵抗裂紋的增長以防止材料失效，這種性能可以用單調載荷下的韌性Γ和循環載荷下的閾值Γth來衡量。大多數材料，如塑料、金屬、彈性體、水凝膠，多少都有些韌性，這些材料韌性好但易疲勞。因此這些韌性材料的閾值通常比韌性低一到兩個數量級，一個代表性的例子就是天然橡膠，它的韌性一般超過10000 J/m

，但閾值隻有可憐的50 J/m

。

基於以上分析，哈佛大學鎖志剛教授課題組提出瞭一種可以同時提高凝膠材料拉伸性和抗疲勞性的方法。他們將聚二甲基矽氧烷（PDMS）纖維嵌入到更柔軟、可拉伸性更高的聚丙烯酰胺（PAAm）基體材料中，通過稀疏的共價鍵將兩者交聯在一起，合成瞭一種凝膠復合材料。發現單獨的PDMS纖維和PAAm凝膠的韌性隻有365 J/m

和1142 J/m

，但是復合材料的韌性則高達4136 J/m

，而且材料循環30000次後裂紋不再繼續擴展，表現出優異的抗疲勞性。研究者認為這種方法具有廣泛的適用性，為高性能凝膠材料的開發打開瞭一扇大門（詳細報道：哈佛大學鎖志剛院士團隊：循環拉伸30000次毫無壓力！給凝膠材料加筋，高度抗疲勞凝膠材料問世）。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702119307606?via%3Dihub2. Advanced Materials：水凝膠-彈性體結合的離電發光纖維織物水凝膠離子電子學是使用水凝膠作為離子導體，並使用疏水性彈性體作為電介質的新興學科。在各種制造過程中將水凝膠和疏水性彈性體整合在一起，並具有牢固，可拉伸和透明的粘合力是水凝膠離子電子學最大挑戰。

哈佛大學鎖志剛院士/南方科技大學楊燦輝設計瞭一種多步浸塗工藝，以實現多種配置的水凝膠離子電子學器件。這樣做時，對疏水表面進行瞭底漆處理，使親水性前體潤濕，然後使不同層的聚合物與共價鍵互連。該工藝將水凝膠和疏水性彈性體結合在一起，具有很強的附著力，而又不會損害可拉伸性和透明度。該方法在水凝膠和疏水彈性體之間實現瞭牢固，可拉伸和透明的粘合。演示瞭離電發光纖維，織物和其他配置器件。所提出的方法為水凝膠離子電子學的廣泛應用鋪平瞭道路（詳細報道：智能衣物成為現實！哈佛鎖志剛院士/南科大楊燦輝《AM》：離電發光纖維織物）。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.2020055453. National Science Review綜述：功能性水凝膠塗層

水凝膠是在水中溶脹的天然或合成聚合物網絡，可以機械，化學和電學方法與活組織相容。自從1960年發明水凝膠隱形眼鏡以來，一直在進行醫療用水凝膠的深入研究和開發。最近，已經在各種基材上實現瞭具有受控厚度和堅韌性的功能性水凝膠塗層。水凝膠塗覆的基材將水凝膠的優點（如潤滑性，生物相容性和抗生物結垢特性）與基材的優點（如剛度，韌性和強度）結合在一起。

浙江大學楊衛院士團隊和哈佛大學鎖志剛院士團隊合作綜述瞭功能性水凝膠塗層的應用和功能；用具有強粘性的不同功能性水凝膠塗覆各種基材的方法，以及測試以評估功能性水凝膠塗層與基材之間的粘附性。並且給出瞭功能性水凝膠塗層的發展展望（詳細報道：浙大楊衛院士/哈佛大學鎖志剛院士《NSR》綜述：功能性水凝膠塗層）。

論文鏈接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa254/5918005離子彈性體4. Science：根本上解決基於離子彈性體的器件的泄露和蒸發問題可穿戴設備通常需要柔軟或柔韌，理想情況下，這些屬性應超出包括電子設備的包裝材料的范圍。軟離子導體已使可拉伸和透明的器件成為可能，但是此類器件中的液體往往會泄漏和蒸發。

哈佛大學的鎖志剛教授團隊和馬薩諸塞大學的Ryan C. Hayward教授團隊合作開發出利用離子雙層來矯正和切換離子電流的離子彈性體二極管、晶體管。團隊設計瞭兩種分別帶有陽離子和陰離子的聚電解質網絡，其締合的相反離子可以移動。將主鏈帶有相反離子的彈性體構建成離子雙層（IDL），它能夠在不發生電化學反應的情況下進行整流和“開-關”離子電流。締合的離子移動發生熵驅動損耗會產生離子異質結，其意義可類比PN結。傳統的PN結無法拉伸，而本征可拉伸離子彈性體異質結則為可拉伸離子器件奠定瞭基礎（詳細報道：哈佛大學鎖志剛院士《Science》：離子彈性體二極管、晶體管！為可拉伸離子器件奠定基礎）。

論文鏈接： https://science.sciencemag.org/content/367/6479/7735. Advanced Materials：利用離子彈性體交叉點實現低壓且可逆的電粘附電粘附力是一種可以利用施加的電勢快速且可逆地控制的粘附力，從為觸覺、機器人技術等各種應用提供瞭希望。但是當前基於電子導體和絕緣介電層的電膠粘劑通常受到對幾千kV范圍內施加高壓的需求的限制，這不僅存在安全隱患，還需要與高壓兼容的專用電路元件，降低工作電壓的一種策略是減小電膠粘劑的電介質層厚度，因為標準的平行板電容器模型表明靜電力與電抗力成反比。介電電膠粘劑以前不可能在幾伏特的范圍內工作，但是代替介電層，帶電的大分子已顯示出在低得多的電勢下可逆粘附的巨大希望。但是僅限於在水中進行操作，到目前為止僅實現瞭兩個附著狀態（附著或分離）。在無液體的條件下在低電壓下實現電粘附仍然是一個巨大的挑戰，並將這種方法擴展到新的應用領域具有巨大的潛力。

美國馬薩諸塞大學Ryan C. Hayward教授和哈佛大學鎖志剛教授團隊展示瞭可在≈1V的電勢下基於離子彈性體異質結的新型的電膠粘劑。通過調節IDL兩端的電壓可逆控制兩種離子彈性體之間的附著力。在“反向偏壓”下，流動離子被拉離界面區域，導致IDL中積累瞭過多的固定電荷。這些薄的界面層中多餘的固定電荷所產生的電場會引起兩種離子彈性體之間的靜電粘附。在“正向偏壓”下，移動陽離子從聚陰離子域進入聚陽離子域，反之亦然。因此，界面表現為電阻性並且兩種離子彈性體之間的靜電粘附力消失瞭（詳細報道：《Science》之後再發《AM》：粘附材料新體系——離子彈性體結的低壓可逆電粘附！）。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000600軟材料粘接力學6. Extreme Mechanics Letters：快速強韌拓撲粘接劑

拓撲粘接是把兩個聚合物網絡（稱為被粘附體）強力連接在一起。哈佛大學鎖志剛教授團隊提出：首先將聚合物長鏈溶液被均勻塗抹在兩層待粘接的聚合物網絡中間，當這些聚合物長鏈擴散到這兩個聚合物網絡中，在受到特定的條件觸發後（如pH，溫度，離子，光等）交聯形成一層新的網絡。這層新的網絡與原本的兩層聚合物網絡形成拓撲纏結，從而產生強力粘接。本文提出的原理使得能夠配制拓撲膠粘劑，以適應通常需要特殊性能的各種應用和制造過程，例如生物相容性和按需分離，以及粘附時間，緩慢，快速和即時。對於給定的拓撲化學，可以獨立控制膠凝動力學。有足夠的機會配制拓撲粘合以實現非常規應用。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S23524316203011887. Extreme Mechanics Letters：可拉伸粘合表征方法當將兩種可拉伸材料（例如水凝膠，彈性體和生物組織）粘合在一起時，界面應可拉伸，而不會限制變形和降低粘合力。在這裡，鎖志剛教授開發瞭表征可拉伸粘合力的方法。通過拓撲粘合來實現此目的，使用聚丙烯酰胺水凝膠作為被粘物，使用殼聚糖作為縫線聚合物，並通過改變pH值作為觸發條件。以多種方式預拉伸拓撲化的水凝膠，並在水凝膠處於未拉伸或拉伸狀態時測量粘附能。當粘合能對預拉伸不敏感時，粘合能保持相似的水平時，就可以實現可拉伸粘合。

本工作已經證明殼聚糖拓撲粘合劑對兩種水凝膠的拓撲粘附是可拉伸的。盡管水凝膠的變形歷史或狀態不同，但粘附能在所有情況下均保持在相似的水平。還提出瞭殼聚糖使可拉伸粘附的機制：殼聚糖層在拉伸狀態下斷裂成小島，但仍保持與水凝膠網絡的拓撲纏結，在拉伸狀態下具有很強的附著力。去除拉伸後，殼聚糖島返回其未變形狀態，仍與水凝膠網絡處於拓撲纏結狀態，因此在未拉伸狀態下仍保持強粘附力。這項研究突出瞭界面的可拉伸性，將其作為軟材料粘合的重要設計標準。表征可拉伸粘合力的測試方法也可用於其他粘合系統，並且可能是研究界面流變學的潛在工具。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431620301644?via%3Dihub8. Journal of the Mechanics and Physics of Solids：用搭接剪切法測量軟材料粘合的強度和韌性軟材料的粘合通常以強度和韌性為特征。然而，即使對於廣泛使用的測試方法，它們的適用性也經常受到質疑。在這裡，鎖志剛教授課題組結合實驗，理論和計算來研究搭接剪切。長期以來一直使用彎曲剪切來測量軟材料的粘合強度，實驗表明，隻有當樣品薄且足夠短時，所測量的粘合強度才是恒定的。當樣品厚度超過分形粘合長度時，樣品的角會集中應力，並且粘合強度會隨著樣品厚度的增加而降低。當樣品長度超過剪切滯後長度時，背襯層會明顯變形，許多樣品不承受剪切應力，並且粘合強度隨樣品長度的增加而降低。此外，得到瞭與樣品厚度相比較長的裂紋能量釋放率的解析表達式。對於厚度大於分形粘合劑長度的樣品，粘合韌性是恒定的，與樣品長度無關。這些發現將指導表征粘合強度和韌性的方法的發展。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509620302234?via%3Dihub可拉伸彈性體及應用9. Journal of the Mechanics and Physics of Solids：耐疲勞彈性體材料的抗裂紋擴展性的特征在於單調載荷下的斷裂韌性和循環載荷下的疲勞閾值。工程彈性體的疲勞閾值通常被限制為~50 J /m

，遠低於它們的韌性（10

~10

 J/m

）。鎖志剛教授課題組報告瞭閾值超過500 J/m

的抗疲勞彈性體。這種彈性體是兩種彈性體的復合物：嵌入在軟彈性體基質中的硬彈性體晶格。硬和軟彈性體都可以彈性拉伸，並具有較小的滯後性。在復合材料的裂紋前沿，軟基質剪切力很大，從而消除瞭硬晶格中的應力。當復合材料中的裂紋擴展時，耗散的能量與晶格的特征尺寸成比例。相反，當在均質的彈性體中出現裂紋時，耗散的能量隨聚合物網絡的篩孔尺寸成比例增加。耐疲勞彈性體為需要可拉伸材料的應用提供瞭新的機會。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509619307781?via%3Dihub#fig000110. Nano Letters：納米顆粒-彈性體復合材料助力可拉伸駐極體駐極體是一種將電荷“鎖”在材料內部長達數年、甚至上百年的介電材料，在耳機、話筒、靜電復印、輻射物測量、空氣凈化、壓力傳感等領域起著重要的作用。現有的人造駐極體多為無機物和含氟有機物，如二氧化矽、聚四氟乙烯（PTFE）等傳統固體介電材料，其可承受的變形往往很小。而隨著軟機器人、柔性電子器件等新興領域的迅速發展，基於大變形的柔性力-電耦合應用需求迅速擴展，可拉伸駐極體的需求也應運而生。傳統駐極體材料變形程度小，而具有大變形能力的介電彈性體材料卻難以長時間儲存電荷；如何實現兩者共存，即同時實現較長的電荷儲存時間和大變形能力，是實現可拉伸駐極體的核心問題。

哈佛大學鎖志剛教授團隊將硬駐極體納米粒子固定在介電彈性體基質中，提出一種既能長期儲存電荷又能可伸縮的駐極體的通用方法。在駐極體中彈性體基質賦予其可伸縮性，極柱體粒子使其電荷儲存時間更長，解決瞭可伸縮的彈性體在發展過程中面臨的難題。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01434

來源：高分子科學前沿

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