水凝膠用作組織工程的支架、藥物輸送的載體、光學(xué)和流體的驅(qū)動(dòng)器，以及用于生物學(xué)研究的模型細(xì)胞外基質(zhì)。然而，水凝膠的應(yīng)用范圍往往受到其機(jī)械性能的嚴(yán)重限制。大多數(shù)水凝膠不表現(xiàn)出高拉伸性。例如，藻酸鹽水凝膠在拉伸到其原始長(zhǎng)度的約1.2倍時(shí)會(huì)破裂。一些合成彈性水凝膠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10-20 的拉伸，但已知當(dāng)樣品包含缺口時(shí)，彈性凝膠會(huì)顯著減少可實(shí)現(xiàn)的拉伸。大多數(shù)水凝膠很脆，具有10 J/m2左右的斷裂能，相比之下，軟骨具有 ~1000 J/m2的斷裂能量，天然橡膠的斷裂能為~10,000 J/m2。人們投入了大量精力來合成具有增強(qiáng)機(jī)械性能的水凝膠，某些合成凝膠的斷裂能量已達(dá)到100–1000 J/m2。盡管取得了令人振奮的成就，但水凝膠的大部分特性空間仍未被開發(fā)。

某些合成水凝膠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了出色的機(jī)械性能。含有滑環(huán)聚合物的水凝膠可以拉伸其初始長(zhǎng)度的10倍以上，四聚（乙二醇）凝膠的強(qiáng)度為~2.6 MPa。這些凝膠會(huì)彈性變形。彈性凝膠是脆性的，對(duì)缺口敏感，也就是說，當(dāng)樣品包含缺口或任何其他導(dǎo)致不均勻變形的特征時(shí)，高拉伸性和強(qiáng)度會(huì)顯著下降。通過引入能量耗散機(jī)制，可以使凝膠變得堅(jiān)韌且對(duì)缺口不敏感。例如，斷裂能量為~1000 J/m2是通過雙網(wǎng)絡(luò)凝膠實(shí)現(xiàn)的，其中兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)分別通過共價(jià)鍵交聯(lián)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有短鏈，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有長(zhǎng)鏈。當(dāng)凝膠被拉伸時(shí)，短鏈網(wǎng)絡(luò)破裂并耗散能量。然而，短鏈網(wǎng)絡(luò)的破裂會(huì)造成損害。第一次加載后，凝膠不會(huì)從損傷中恢復(fù);在隨后的載荷下，斷裂能量大大降低。為了實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)的能量耗散機(jī)制，最近的幾項(xiàng)工作已經(jīng)用非共價(jià)鍵取代了破裂的共價(jià)鍵。例如，在具有三嵌段鏈共聚物的凝膠中，不同鏈的末端嵌段形成玻璃狀結(jié)構(gòu)域，不同鏈的中間嵌段形成離子交聯(lián)。

當(dāng)凝膠被拉伸時(shí)，玻璃結(jié)構(gòu)域保持完整，而離子交聯(lián)會(huì)斷裂并耗散能量。離子交聯(lián)在第一次加載后的一段時(shí)間內(nèi)重組。可恢復(fù)的能量耗散也可以受到疏水締合的影響。當(dāng)親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)中由疏水雙層制成的凝膠被拉伸時(shí)，雙層會(huì)解離并耗散能量，卸力后，雙層重新組裝，導(dǎo)致恢復(fù)。然而，現(xiàn)有工作已證明斷裂能量與雙網(wǎng)絡(luò)凝膠相當(dāng)或更低。

PAA-PAH/LiCl柔性水凝膠

單網(wǎng)絡(luò)（SN）柔性水凝膠

摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）是基于靜電感應(yīng)和摩擦電效應(yīng)耦合的發(fā)明。TENG基本上可以看作是一種電容式可變電場(chǎng)源，其輸出功率與摩擦電荷密度有關(guān)。TENGs可以收集人類日常生活中無處不在的機(jī)械能，包括波浪、風(fēng)，以及呼吸和身體運(yùn)動(dòng)等人體運(yùn)動(dòng)。與其他電源相比，TENGs在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、可移植性等方面具有的優(yōu)勢(shì)。TENGs的顯著優(yōu)勢(shì)使其在人工智能、可穿戴電子設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備方面具有巨大潛力。在便攜式可穿戴設(shè)備對(duì)綠色和可持續(xù)能源的快速需求方面，TENGs的研究取得了的成就。