近日，浙江大学物理学院、物理高等研究院雷海课题组联合南京大学曹毅课题组、浙江大学航空航天学院陈斌课题组，在软物质物理与生物材料领域取得重要进展。研究团队通过构建具有可编程单分子力学响应的蛋白质水凝胶模型体系，首次揭示了软材料疲劳抗性并非简单由分子强度决定，而是来源于裂纹尖端附近“力激活事件”的空间重分布，并提出了存在最佳分子力学窗口的普适物理机制。相关成果以“Using Folded Proteins as Mechanically Well-Defined Units to Understand Fatigue Fracture in Hydrogels: Bridging Single Molecule and Bulk Studies”为题，发表在期刊《Physical Review X》上。
水凝胶是一类兼具柔软性、高含水量和良好生物相容性的软材料，被广泛应用于组织工程、柔性电子和软体机器人等领域。然而，在长期循环受力条件下，水凝胶容易发生疲劳断裂，其背后的物理机制长期以来尚不清楚。传统理论通常认为材料疲劳主要由裂纹尖端附近聚合物链断裂决定，但难以解释实验中观察到的大量能量耗散现象。
图1：不同模型中裂纹扩展的能量耗散
针对这一问题，研究团队利用蛋白质天然存在的“力诱导折叠/解折叠”行为，构建了具有精确定义机械响应的耗散单元。研究发现，材料疲劳抗性并非简单由分子强度决定，而是取决于裂纹尖端附近“力激活事件”的空间分布。较弱的蛋白结构域能够更早参与能量耗散，在裂纹附近形成更大的耗散区域，从而降低应力集中并延缓裂纹扩展。为解释这一反直觉现象，研究团队建立了新的“力响应模型（force-response model）”，首次将裂纹尖端力传播、蛋白质折叠动力学以及网络层级力衰减统一纳入同一理论框架。研究进一步揭示，系统中存在一个最佳分子力学窗口，可实现最大疲劳抗性。这一工作提出了从“力传播与动力学激活”角度理解软材料疲劳断裂的新思路，为高可靠性软材料设计提供了新的普适物理原则。
图2：理论预测
论文第一作者为浙江大学与南京大学联合培养博士生董亮（现为南京大学博士后）、浙江大学博士生曹圃瑜（现为西南交通大学博士后）。浙江大学雷海长聘副教授、南京大学曹毅教授、浙江大学陈斌教授为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金等项目支持。
