How super-tough gels break

polymer凝胶的多孔弹性增韧：理论和数值研究

Poroelastic toughening in polymer gels: A theoretical and numerical study

我们探讨的模式I断裂韧性的聚合物凝胶包含一个半无限的，不断增长的裂纹。首先，一个表达式推导出的能量释放率内的线性化，小应变设置。这个表达式揭示了一个裂纹尖端速度无关的增韧，源于聚合物凝胶的多孔弹性性质。然后，我们建立了一个多孔弹性内聚区模型，使我们能够描述在凝胶断裂的微观力学确定的作用，溶剂压力在促进多孔弹性增韧。我们通过渐近分析评估了有效断裂韧性的提高。我们证实了我们的理论研究结果，通过数值模拟的情况下，一个稳定的扩展裂纹。从广义上讲，我们的研究结果解释了多孔弹性的作用和在促进增韧聚合物凝胶的断裂区域中发生的过程。

Damageless Tough Hydrogels with On-demand Self-reinforcement

Most tough hydrogels are reinforced by introducing sacrificial structures that can dissipate input energy. However, since the sacrificial damages cannot recover instantly, the toughness of these gels drops substantially during consecutive cyclic loadings. Here, we propose a new damageless reinforcement strategy for hydrogels utilizing strain-induced crystallization (SIC). In Slide-Ring (SR) gels with freely movable cross-links, crystalline repetitively forms and destructs with elongation and relaxation, resulting in both excellent toughness of 5.5 - 25.2 MJ/m$^3$ and 87% - 95% instant recovery…

软韧材料断裂能和裂纹尖端场的预测

Predicting Fracture Energies and Crack-Tip Fields of Soft Tough Materials

包括弹性体和凝胶的软材料在生物系统和技术应用中普遍存在。尽管已知软材料的固有断裂能相对较低，但对固有断裂能如何与工艺区中的机械耗散协作以赋予软材料高断裂韧性还不很清楚。此外，软韧材料的断裂能和裂尖应变场的预测也是一个挑战。在这里，我们报告了一个缩放理论，占内在的断裂能和耗散的增韧软材料的协同效应。然后，我们开发了一个耦合的粘性区和Mullins效应模型能够定量预测断裂能的软韧性材料和大变形下的软材料裂纹尖端周围的应变场。通过软韧材料大变形断裂实验，定量验证了理论和模型的正确性。提出了一种通用的韧化图，可用于指导新型软韧材料的设计。

Crosslinks increase the elastic modulus and fracture toughness of gelatin hydrogels

Hydrogels have the ability to undergo large deformations and yet fail like brittle materials. The development of biocompatible hydrogels with high strength and toughness is an ongoing challenge in many applications. We crosslinked bovine gelatin using glutaraldehyde (control) and methylglyoxal (MGO) and assessed changes in their fracture toughness. Swelling experiments show ~710% retention of water in MGO hydrogels as compared to ~450% in control specimens. We used FTIR to identify the presence of chemical groups that may be involved in the crosslinking of gelatin gels. Scanning electron micro…

超软凝胶的毛细管破裂：不均匀性和延迟成核

Capillary fracture of ultrasoft gels: heterogeneity and delayed nucleation

在超软（$E \lesssim 100$ Pa）凝胶基质上铺展的表面活性剂液滴将在凝胶表面产生毛细裂缝;这些裂缝起源于接触线，并以星爆图案向外传播。在裂缝形成的数量和裂缝形成之前的时间延迟两者中存在固有的可变性。在单裂缝形成的制度中，我们观察到的延迟时间的Weibull分布，与热激活过程一致。较软凝胶的形状参数接近1（泊松过程），较硬凝胶的形状参数较大（表明老化）。对于单一断裂，特征延迟时间主要由系统的弹性毛细管长度设定，该长度由液滴和基底之间的表面张力的差异计算，而不是由更硬系统的弹性模量设定。对于多裂缝，所有裂缝同时出现，长延迟时间被抑制。延迟时间分布为探测超软材料的能量分布和断裂韧性提供了一种新的技术。

振荡剪切下蛋白质凝胶破裂的预测和评估

Predicting and assessing rupture in protein gels under oscillatory shear

在施加足够大的剪切振荡时，软材料可能会不可逆地断裂，这是一个物理机制仍然很难理解的过程。在这项工作中，在振荡应力下的酪蛋白酸钠制成的蛋白质凝胶的破裂被证明是发生在一个突然的，脆性的方式。在增加应力振幅时，对于所有凝胶浓度，应变响应中的谐波模式的建立可以重新缩放。这种重新标度产生了一个经验标准，以预测破裂点的方式之前，样品被显着损坏。恒幅应力振荡下的“疲劳”实验可以映射到以前的结果，这表明，破裂是独立的时间路径中的应变和损伤积累。最后，使用超声波成像，我们测量的局部机械性能的凝胶之前，期间和之后的故障，显示的应变场保持完全均匀的破裂，但突然让位于固体-流体相分离时，故障。