你能想象0.2克的“繩子”可以提起5公斤重的物體嗎？

沒開玩笑，這是科研人員創造出的一種力學性能驚人的新材料。它不但具有很好的拉伸性能，拉伸長度能達600%，而且還非常堅韌。

近日，美國北卡羅來納州立大學Dickey實驗室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上發表論文，介紹了這款新材料。它屬于離子液體凝膠的一種，在抗拉伸性能和韌性上創造了這類材料的最高紀錄，也展現出比水凝膠更廣闊的應用前景。

評審專家之一、麻省理工學院教授趙選賀認為，“這些透明的離子液體凝膠具有非常堅韌的機械性能，而且最大的亮點是制作簡單，易于使用。”

離子液體凝膠是一種以離子液體為分散介質、具有三維交聯高分子網絡結構的軟材料。相比于水凝膠，離子液體凝膠具有離子導電、不揮發、熱化學穩定、工作溫度范圍大以及電化學窗口寬等優點，因此在可穿戴電子設備、能量存儲設備、驅動器和傳感器等柔性電子領域取得了廣泛的應用。然而，目前大多數離子液體凝膠的力學性能普遍較差（強度<1 MPa、韌性<1 kJ/m2和模量<1 MPa），嚴重限制了其在更廣泛應用場景下的使用。例如，高模量高強韌的離子液體凝膠可以作為鋰離子電池中的聚合物電解質隔膜，通過抑制鋰枝晶的生長和抵抗外部沖擊來緩解短路等安全問題。為此，人們基于雙網絡、點擊化學等設計原理開發了一系列新型離子液體凝膠，但仍存在性能提升有限、材料體系復雜以及制備工藝繁瑣等問題。

1+1≥10，凝膠界的“佼佼者”

“通常凝膠的機械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人體內的軟骨。一些研究人員一直在努力制造堅韌的凝膠，這啟發了我們。”論文共同通訊作者、北卡羅來納州立大學Dickey實驗室負責人Michael D. Dickey告訴《中國科學報》。

王美香介紹，新材料透明度達90%以上，其內部的聚合物網絡微結構使凝膠擁有極高的力學性能，可拉伸而且非常堅韌。拉伸的長度能達600%，模量有約50個兆帕，斷裂強度約有13個兆帕。這是目前離子液體凝膠界的最高紀錄。

論文中展示的是用0.2克的離子液體凝膠材料，輕松提起1公斤重量的物體。事實上提起5公斤的重量也不在話下，但因實驗室沒有5公斤的標準件，他們后來用5公斤的水桶做了實驗，材料本身不會有任何破損。

不同凝膠在提起1公斤重物時的表現。受訪者供圖

離子液體這個溶劑本身不揮發，且具有很高的熱穩定性和導電性。因此，創造出的這款離子液體凝膠具有廣闊的應用前景。“可用于電池、傳感器、3D打印、致動器和柔性電子設備等。”Michael D. Dickey說。

一步法輕松做成

長期以來，在凝膠材料領域最火的，非水凝膠莫屬。

在這篇論文發表之前，合成高強度離子液體凝膠的方法并不易。為了提高材料的力學性能，一些研究人員采用多步法或者溶劑交換，整個過程耗時長、成本高，而且浪費資源。

挑戰不可能，這是科研工作者骨子里的基因，恰好離子液體這個溶劑的“72般變化”也讓王美香著迷。

“顧名思義，水凝膠用的溶劑只有一種，就是水，而離子液體凝膠用的溶劑是離子液體，有成千上萬種，這正是它的魅力所在。”王美香對《中國科學報》說。離子液體在室溫下是一種液態的熔融鹽，里面含有正離子和負離子，只要熔融鹽里的正負離子不一樣，就可以實現離子液體的千變萬化。

研究選材是從聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的單體開始。

三種離子液體凝膠結構示意圖。受訪者供圖

最初，王美香把兩種材料分開來做。當把丙烯酰胺融到離子液體后，產生的凝膠跟她預想的完全不一樣，不透明、發白，就像曬干的面條一樣特別脆，一碰就斷。隨后她又試了丙烯酸，做出來的凝膠則超級軟，透明度達到百分百。

完全就是兩種極端！這讓她無比興奮，如果把三者混在一起，會擦出什么樣的火花呢？

“把丙烯酰胺和丙烯酸融到離子液體里，再加入引發劑和交聯劑，然后混勻，用高功率紫外燈照射，3分鐘就能制作出論文中這種新型混合材料。”王美香說，“就是這么簡單。”

一步法就這樣誕生了！它為離子液體凝膠研究開啟了新世界的大門。

王美香

在新的平臺，王美香也順利轉換到新賽道，開始離子液體凝膠材料研究。

但是，王美香剛進入北卡羅來納州立大學，新冠疫情就來了，一下打亂了研究計劃，學校封閉，無法進入實驗室。

參與這項研究的一共有9位作者，其中華人學者就有4位。除了王美香，另外3位分別是論文共同通訊作者、西安交通大學教授胡建，西安交通大學碩士生張鵬堯，以及美國內布拉斯加州大學林肯分校研究助理教授錢文。

通過一步法快速無規共聚使溶解性質迥異的兩種聚合物組分在離子液體中原位形成雙連續相分離結構，實現了離子液體凝膠強度(12.6 MPa)、韌性(24 kJ/m2)、模量(46.5 MPa)和可拉伸性(600%)的同時提升以及自恢復、自愈合、形狀記憶、抗溶脹和可3D打印等功能集成，并從相分離結構角度揭示了高力學性能和多功能性的工作機制。該研究表明，離子液體凝膠的高強度和高模量來源于連續硬相，高韌性來源于硬相中的氫鍵能量耗散（犧牲鍵增韌原理）和軟硬相互穿的相分離結構（減小裂紋尖端的應力集中），高拉伸性來源于連續軟相的大變形，而自恢復、自愈合、形狀記憶等多功能性則源于凝膠硬相中的氫鍵斷裂與重排。原位相分離技術適用于各種常見的單體和離子液體，且不需要傳統相分離技術所必需的繁瑣后處理操作（如溶劑交換、熱處理、外力誘導等），有助于相關研究人員方便地制備高力學性能離子液體凝膠并拓展其應用空間。

宏觀光學和力學性能的演變源于不同的相誘導微結構作為組成的函數。研究人員利用掃描電子顯微鏡（SEM）捕捉到了不同AAm含量的離子凝膠的形貌變化，而沒有去除EMIES（圖2c-h）。純PAA離子凝膠表現出均勻光滑的形態，表明網絡均勻分散（圖2c）。因此，PAA 離子凝膠的高透明度可歸因于缺乏明顯的光散射域。隨著AAm含量(x)增加到0.5，由于富含AAm的鏈與AYS的相容性降低，在SEM圖像中可以看到富含聚合物的相（圖2d）。這些結果表明這是一個雙連續網絡。隨著AAM含量的增加，這些區域變得更加明顯（圖2e-g）。當x達到0.8125時，形貌發生了很大的變化（圖2f）。當x>0.8125時，富含聚合物的相變得更加明顯，導致嚴重的光散射，這使得離子凝膠呈現白色并表現為脆性（圖2g,h）。

圖2. 各種離子凝膠的照片、機械演示和SEM圖像

為優化共聚物離子凝膠的力學性能，研究人員合成了不同CMBAA、x和Cm的共聚物離子凝膠。當CMBAA和x值分別為0.1 mol%和0.8125時，斷裂強度最大。當Cm從2~6M變化時，共聚物離子凝膠的斷裂強度從0.3 MPa提高到12.6 MPa，而斷裂應變從~1200%下降到600%（圖3a）。研究人員定量比較了純PAA、PAAM和共聚離子凝膠以及它們的水凝膠的力學性能（圖3b）。在小應變下(≤10%)，共聚物離子凝膠的楊氏模量(46.5±1.9 MPa)接近純PAAm離子凝膠的楊氏模量(64.7±0.5 MPa)。這些值遠遠超過純PAA離子凝膠(0.12 MPa)和共聚物水凝膠(0.17 MPa)的模量（圖3c）。因此，共聚物離子凝膠的巨大模量來自于富含聚合物的相區。然而，與純PAAM離子凝膠不同的是，該共聚物離子凝膠具有可拉伸性（圖3b）。相比之下，純PAA、PAAm離子凝膠和共聚物水凝膠的斷裂強度為≤3.2MPa （圖3c）。此外，共聚物離子凝膠的斷裂應變(~600%)幾乎與共聚物水凝膠(~1100%)和純PAA離子凝膠(~900%)相當，遠遠超過純PAAM離子凝膠(~3%)。此外，將共聚物離子凝膠壓縮到60%的應變，達到儀器(Instron)的測壓元件極限，樣品沒有失效，獲得了極高的抗壓強度（32.6 MPa）。

論文評審專家之一、麻省理工學院機械工程系趙選賀教授認為：“這些透明的離子液體凝膠具有非常堅韌的機械性能，而且最大的亮點是制作簡單，易于使用。”

據悉，該論文僅經歷一輪審稿即被 Nature Materials 順利接收，且三位審稿人都表示，“采用普通的原料和簡單的一步法共聚制備方法，獲得了力學性能十分突出的離子液體凝膠。提出的原位相分離設計原理具有通用性，有望引起軟電子和軟機器領域研究人員的廣泛興趣。”

此外，韓國首爾國立大學化學與生物工程學院金大賢（Dae-Hyeong Kim）教授專門針對該研究在 Nature Materials 同期撰寫了 News & Views 評論文章。他表示，“研究人員提出了一種合成高強韌離子液體凝膠的簡單方法，這對于軟材料領域毫無疑問是一個重大貢獻。而且，高強韌離子液體凝膠和其它納米材料的結合有可能為軟電子等諸多應用提供新機遇，這些高強韌軟材料的潛在用途是無限的。”

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01195-4