[论文解读] Measuring elastic properties of granular hydrogels: Effects of capillary interaction and ionic conditions

Jiayin Zhao, Haiyi Zhong+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2026

Hydrogels: synthesis, properties, applications被引用 0

一句话总结

论文开发了一个实验装置，用于量化膨胀颗粒水凝胶在湿润条件下的弹性响应，区分毛细（表面张力-弹性耦合）力与机械载荷，并分析毛细作用与离子条件如何影响表观模量与膨胀驱动的刚度。

ABSTRACT

The elastic properties of granular hydrogels are commonly characterised under wet conditions, yet the influence of capillary interactions remains unclear. In practical applications, hydrogels operate in aqueous environments containing dissolved ionic species, where swelling and elastic behaviour depend sensitively on ionic conditions. In this study, an experimental setup is developed to measure elastic responses of granular hydrogels under wet conditions. This setup directly observes liquid bridges formation and its evolution during compression. Our results show that neglecting capillary contributions leads to a systematic underestimation of the Young's modulus of hydrogels. Such an underestimation due to the capillary interaction increases as the sample size or its intrinsic stiffness decreases. In addition to the swelling ratio, the tested samples were also prepared under controlled salinity levels. The experimentally observed dependence of stiffness on swelling and salinity conditions is well captured by a modified constitutive model. The development of this study offers a robust testing protocol for measuring elastic properties of hydrogels under various environmental conditions.

研究动机与目标

• 表征毛细力如何影响膨胀水凝胶颗粒在压缩中的弹性测量。
• 量化毛细贡献对测量力的影响及其大小依赖性。
• 研究离子条件（NaCl浓度）对膨胀与弹性的影响。
• 验证一个把膨胀、离子强度与模量联系起来的本构模型。
• 展示一种区分毛细效应与纯弹性响应的程序。

提出的方法

• 使用自定义加载装置在观察液桥的同时，将单个水凝胶球压缩对着刚性玻璃板。
• 通过液桥几何求取毛细力 F_cap = π R2^2 Δp + 2π R2 γ，Δp = γ(1/R1 + 1/R2) 与 γ = 72.8 mN/m。
• 从天平得到的测量力 F_m，定义接触力 F_c = F_m + F_cap。
• 拟合赫兹接触定律 F = (4/3) E R^{1/2} (δ − δ0)^{3/2)，以获得表观模量和有效模量。
• 在五种离子环境（0、1、2、5、10 g/L NaCl）下追踪膨胀与含水量 W_c，并用膨胀动力学模型 W_c(t) = W_c,max(c)(1 − exp[−k(c)t])进行建模。
• 将实验得到的 E* 与 Brighenti 等人类型的水凝胶在膨胀与离子条件下刚度本构模型进行比较，拟合参数为 G、J_c、γ_T。

实验结果

研究问题

• RQ1 毛细力在液体桥中如何修改在压缩过程中的膨胀水凝胶颗粒的测量弹性响应？
• RQ2 颗粒尺寸如何影响推断杨氏模量的毛细效应大小？
• RQ3 离子条件（NaCl浓度）与膨胀水平如何影响有效模量及其在变形中的演化？
• RQ4 是否有一个考虑膨胀和离子效应的本构模型能预测各条件下的模量趋势？

主要发现

• 毛细力会偏置测量模量，且偏置对较小颗粒更大，导致对真实模量的尺寸依赖性低估。
• 毛细力大小在盐水条件下为2–8 mN，随颗粒尺寸略有下降。
• 在低盐组中有效模量 E* 随颗粒半径增大而增大；在更高盐度下表现出更陡的软化以及更快的刚化趋势。
• 一个包含膨胀、氢键作用和离子强度的本构模型在0–2 g/L NaCl数据集上能以<15%误差再现模量演化。
• 更高的盐度对应更高的 G 和 γ_T，以及更小的 J_c，表明在离子屏蔽下网络更硬而伸展性更低。
• 该模型捕捉了膨胀驱动刚度行为的转变，并与离子强度增加时观测到的趋势一致。