硬水凝胶的超弹性膨胀

水凝胶是双相、膨胀的聚合物网络，其中弹性变形与纳米尺度流体流动相耦合。因此，水凝胶能够承受大应变并表现出非线性、超弹性特性。对于低模量水凝胶和半柔性生物聚合物网络，先前的研究表明，这些材料在远长于多孔弹性松弛时间尺度的时间尺度上剪切时会普遍收缩。通过流变学和摩擦学测量，我们发现模量约为~10-100 kPa的硬聚丙烯酰胺和聚丙烯酸水凝胶在剪切时专门膨胀（扩张）。使用应变控制压缩检查了多孔弹性松弛过程，表明体积扩散常数约为10^-9 m^2/s。在剪切时，我们观察到法向应力增加，该应力随剪切应变呈二次变化，并持续数小时。此外，我们表明这种膨胀行为在摩擦滑动过程中表现为膨胀，使水凝胶吸收流体。我们认为，这种固有的超弹性膨胀是所有硬水凝胶的一个重要特征，并可能解释生物组织（如软骨）中的再水化和机械再生。