类橡胶凝胶中的负能量弹性

橡胶弹性是源于热力学第二定律的熵力的典型代表；对天然和合成橡胶的大量实验与理论研究已表明，弹性主要来源于形变引起的熵变。类似地，在含有大量溶剂的聚合物凝胶中，也曾假设剪切模量（刚性模量）$G$（一种弹性模量）近似等于熵贡献$G_S$，但这尚待实验验证。在本研究中，我们测量了聚合物体积分数至多0.1的类橡胶（超弹性）聚合物凝胶中剪切模量$G$的温度依赖性。结果发现，能量贡献$G_E=G-G_S$可为一个显著的负值，达到剪切模量$G$的两倍（即$\left|G_E\right| \simeq 2G$），尽管稳定材料的剪切模量通常必然为正。我们进一步论证，能量贡献$G_E$由消失温度所支配，该温度是归一化聚合物浓度的普适函数，且当溶剂被移除时$G_E$消失。我们的发现凸显了橡胶弹性与凝胶弹性（此前被认为相同）的本质区别，并将既有的凝胶弹性领域推向新的方向。