ГЕЛЬ, КОТОРЫЙ ДЕРЖИТ КИЛОГРАММ

Одиночная полимерная цепь, которую тянут за оба конца, сначала разворачивается, затем, выпрямляясь, резко становится жёсткой и в конце концов разрывает прочную ковалентную связь. Однако сеть из таких цепей — гель или резина — на порядки слабее одной цепи. Недавние компьютерные модели, на которые ссылается статья, показывают почему: при растяжении сети напряжение распределяется крайне неравномерно. Немногие высоконапряжённые пути возникают и рвутся один за другим, а большинство нитей остаются свёрнутыми и почти не нагруженными.

Юй Чжоу, Чэнхай Ли, Чжэци Чэнь, Сяньян Бао и Чжиган Суо из Гарвардского университета возлагают вину на сшивки — узлы, связывающие нити между собой. Каждая сшивка соединяет четыре нити, но высокое напряжение несут лишь две из них. Сшивки концентрируют нагрузку.

Меньше узлов, больше зацеплений

Их средство — рассредоточить напряжение. При гораздо меньшем числе сшивок нити становятся длинными и спутанными. Авторы представляют, что нагрузку несут «высоконапряжённые цилиндры» — целые пучки переплетённых нитей. Поскольку силы между нитями слабые, зацепления скользят, как блоки: когда зацепление охватывает четыре сегмента, нагрузку несут все четыре. Более длинные нити вовлекают в работу бо́льшую часть сети.

Это проверили на полиакриламидных гидрогелях — мягких твёрдых телах, состоящих в основном из воды, которые перед каждым испытанием набухали до равновесия, как при реальном использовании. Сеть задают два параметра: количество сшивающего агента и количество воды при синтезе.

Прочность в расчёте на единицу полимера — «эффективная прочность», по терминологии авторов, — росла по мере разрежения сшивок по простому закону: она растёт обратно пропорционально количеству сшивающего агента и достигает примерно 100 мегапаскалей.
Изменение количества воды, а значит и числа зацеплений, меняло её менее чем в два раза. Сшивки концентрируют напряжение; зацепления — нет.

Набухание, сжатие, повтор

Чтобы превратить это в прочный материал, команда создала предварительно растянутые взаимосцеплённые сети. Редко сшитый гель пропитывают той же исходной смесью, сплющивают, чтобы он растянулся в стороны, а затем облучают ультрафиолетом: внутри первой сети образуется вторая и фиксирует её в растянутом состоянии. Ещё один повтор даёт тройную сеть.

Слева — кривые «напряжение — растяжение» трёх гидрогелей; в центре — обычный гидрогель, держащий груз 10 г; справа — предварительно растянутый взаимопроникающий гидрогель, держащий груз 1000 г.

Три полиакриламидных гидрогеля: обычный, сильно запутанный и предварительно растянутый взаимопроникающий. Обычный держит около 10 г; предварительно растянутый — 1000 г. — Рисунок 3, Zhou, Li, Chen, Bao & Suo (2026), arXiv:2610.11837, CC BY 4.0.

Прочность растёт примерно с 0,05 мегапаскаля у обычного гидрогеля примерно до 1 у сильно запутанного и примерно до 10 у тройной сети.
Гель с тройной сетью выдерживает груз примерно в сто раз тяжелее, чем обычный гель.
Он остаётся упругим: за цикл растяжения и разгрузки теряется лишь 8,4% энергии.
Насколько известно авторам, это самый прочный из описанных полиакриламидных гидрогелей.

Рецепт работает и без воды. В резиноподобном материале без воды — эластомере поли(этилакрилате) — прочность при меньшем числе сшивок выросла примерно с 1 до 4 мегапаскалей, а после предварительного растяжения — примерно до 25 мегапаскалей, при потерях энергии всего в несколько процентов.

Всё ещё лишь 1% нитей

Даже 100 мегапаскалей — это намного меньше примерно 10 гигапаскалей, которые способны выдержать ковалентные связи. По оценке авторов, этого предела достигает лишь около 1% нитей; остальные по-прежнему несут гораздо меньше. Как вовлечь оставшиеся 99%, пишут они, — открытый вопрос, для решения которого, возможно, понадобятся совершенно новые конструкции сетей.