你能想象0.2克的“绳子”可以提起5公斤重的物体吗？

没开玩笑，这是科研人员创造出的一种力学性能惊人的新材料。它不但具有很好的拉伸性能，拉伸长度能达600%，而且还非常坚韧。

近日，美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上发表论文，介绍了这款新材料。它属于离子液体凝胶的一种，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。

评审专家之一、麻省理工学院教授赵选贺认为，“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能，而且最大的亮点是制作简单，易于使用。”

离子液体凝胶是一种以离子液体为分散介质、具有三维交联高分子网络结构的软材料。相比于水凝胶，离子液体凝胶具有离子导电、不挥发、热化学稳定、工作温度范围大以及电化学窗口宽等优点，因此在可穿戴电子设备、能量存储设备、驱动器和传感器等柔性电子领域取得了广泛的应用。然而，目前大多数离子液体凝胶的力学性能普遍较差（强度<1 MPa、韧性<1 kJ/m2和模量<1 MPa），严重限制了其在更广泛应用场景下的使用。例如，高模量高强韧的离子液体凝胶可以作为锂离子电池中的聚合物电解质隔膜，通过抑制锂枝晶的生长和抵抗外部冲击来缓解短路等安全问题。为此，人们基于双网络、点击化学等设计原理开发了一系列新型离子液体凝胶，但仍存在性能提升有限、材料体系复杂以及制备工艺繁琐等问题。

1+1≥10，凝胶界的“佼佼者”

“通常凝胶的机械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶，这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey告诉《中国科学报》。

王美香介绍，新材料透明度达90%以上，其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能，可拉伸而且非常坚韧。拉伸的长度能达600%，模量有约50个兆帕，断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。

论文中展示的是用0.2克的离子液体凝胶材料，轻松提起1公斤重量的物体。事实上提起5公斤的重量也不在话下，但因实验室没有5公斤的标准件，他们后来用5公斤的水桶做了实验，材料本身不会有任何破损。

不同凝胶在提起1公斤重物时的表现。受访者供图

离子液体这个溶剂本身不挥发，且具有很高的热稳定性和导电性。因此，创造出的这款离子液体凝胶具有广阔的应用前景。“可用于电池、传感器、3D打印、致动器和柔性电子设备等。”Michael D. Dickey说。

一步法轻松做成

长期以来，在凝胶材料领域最火的，非水凝胶莫属。

在这篇论文发表之前，合成高强度离子液体凝胶的方法并不易。为了提高材料的力学性能，一些研究人员采用多步法或者溶剂交换，整个过程耗时长、成本高，而且浪费资源。

挑战不可能，这是科研工作者骨子里的基因，恰好离子液体这个溶剂的“72般变化”也让王美香着迷。

“顾名思义，水凝胶用的溶剂只有一种，就是水，而离子液体凝胶用的溶剂是离子液体，有成千上万种，这正是它的魅力所在。”王美香对《中国科学报》说。离子液体在室温下是一种液态的熔融盐，里面含有正离子和负离子，只要熔融盐里的正负离子不一样，就可以实现离子液体的千变万化。

研究选材是从聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的单体开始。

三种离子液体凝胶结构示意图。受访者供图

最初，王美香把两种材料分开来做。当把丙烯酰胺融到离子液体后，产生的凝胶跟她预想的完全不一样，不透明、发白，就像晒干的面条一样特别脆，一碰就断。随后她又试了丙烯酸，做出来的凝胶则超级软，透明度达到百分百。

完全就是两种极端！这让她无比兴奋，如果把三者混在一起，会擦出什么样的火花呢？

“把丙烯酰胺和丙烯酸融到离子液体里，再加入引发剂和交联剂，然后混匀，用高功率紫外灯照射，3分钟就能制作出论文中这种新型混合材料。”王美香说，“就是这么简单。”

一步法就这样诞生了！它为离子液体凝胶研究开启了新世界的大门。

王美香

在新的平台，王美香也顺利转换到新赛道，开始离子液体凝胶材料研究。

但是，王美香刚进入北卡罗来纳州立大学，新冠疫情就来了，一下打乱了研究计划，学校封闭，无法进入实验室。

参与这项研究的一共有9位作者，其中华人学者就有4位。除了王美香，另外3位分别是论文共同通讯作者、西安交通大学教授胡建，西安交通大学硕士生张鹏尧，以及美国内布拉斯加州大学林肯分校研究助理教授钱文。

通过一步法快速无规共聚使溶解性质迥异的两种聚合物组分在离子液体中原位形成双连续相分离结构，实现了离子液体凝胶强度(12.6 MPa)、韧性(24 kJ/m2)、模量(46.5 MPa)和可拉伸性(600%)的同时提升以及自恢复、自愈合、形状记忆、抗溶胀和可3D打印等功能集成，并从相分离结构角度揭示了高力学性能和多功能性的工作机制。该研究表明，离子液体凝胶的高强度和高模量来源于连续硬相，高韧性来源于硬相中的氢键能量耗散（牺牲键增韧原理）和软硬相互穿的相分离结构（减小裂纹尖端的应力集中），高拉伸性来源于连续软相的大变形，而自恢复、自愈合、形状记忆等多功能性则源于凝胶硬相中的氢键断裂与重排。原位相分离技术适用于各种常见的单体和离子液体，且不需要传统相分离技术所必需的繁琐后处理操作（如溶剂交换、热处理、外力诱导等），有助于相关研究人员方便地制备高力学性能离子液体凝胶并拓展其应用空间。

宏观光学和力学性能的演变源于不同的相诱导微结构作为组成的函数。研究人员利用扫描电子显微镜（SEM）捕捉到了不同AAm含量的离子凝胶的形貌变化，而没有去除EMIES（图2c-h）。纯PAA离子凝胶表现出均匀光滑的形态，表明网络均匀分散（图2c）。因此，PAA 离子凝胶的高透明度可归因于缺乏明显的光散射域。随着AAm含量(x)增加到0.5，由于富含AAm的链与AYS的相容性降低，在SEM图像中可以看到富含聚合物的相（图2d）。这些结果表明这是一个双连续网络。随着AAM含量的增加，这些区域变得更加明显（图2e-g）。当x达到0.8125时，形貌发生了很大的变化（图2f）。当x>0.8125时，富含聚合物的相变得更加明显，导致严重的光散射，这使得离子凝胶呈现白色并表现为脆性（图2g,h）。

图2. 各种离子凝胶的照片、机械演示和SEM图像

为优化共聚物离子凝胶的力学性能，研究人员合成了不同CMBAA、x和Cm的共聚物离子凝胶。当CMBAA和x值分别为0.1 mol%和0.8125时，断裂强度最大。当Cm从2~6M变化时，共聚物离子凝胶的断裂强度从0.3 MPa提高到12.6 MPa，而断裂应变从~1200%下降到600%（图3a）。研究人员定量比较了纯PAA、PAAM和共聚离子凝胶以及它们的水凝胶的力学性能（图3b）。在小应变下(≤10%)，共聚物离子凝胶的杨氏模量(46.5±1.9 MPa)接近纯PAAm离子凝胶的杨氏模量(64.7±0.5 MPa)。这些值远远超过纯PAA离子凝胶(0.12 MPa)和共聚物水凝胶(0.17 MPa)的模量（图3c）。因此，共聚物离子凝胶的巨大模量来自于富含聚合物的相区。然而，与纯PAAM离子凝胶不同的是，该共聚物离子凝胶具有可拉伸性（图3b）。相比之下，纯PAA、PAAm离子凝胶和共聚物水凝胶的断裂强度为≤3.2MPa （图3c）。此外，共聚物离子凝胶的断裂应变(~600%)几乎与共聚物水凝胶(~1100%)和纯PAA离子凝胶(~900%)相当，远远超过纯PAAM离子凝胶(~3%)。此外，将共聚物离子凝胶压缩到60%的应变，达到仪器(Instron)的测压元件极限，样品没有失效，获得了极高的抗压强度（32.6 MPa）。

论文评审专家之一、麻省理工学院机械工程系赵选贺教授认为：“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能，而且最大的亮点是制作简单，易于使用。”

据悉，该论文仅经历一轮审稿即被 Nature Materials 顺利接收，且三位审稿人都表示，“采用普通的原料和简单的一步法共聚制备方法，获得了力学性能十分突出的离子液体凝胶。提出的原位相分离设计原理具有通用性，有望引起软电子和软机器领域研究人员的广泛兴趣。”

此外，韩国首尔国立大学化学与生物工程学院金大贤（Dae-Hyeong Kim）教授专门针对该研究在 Nature Materials 同期撰写了 News & Views 评论文章。他表示，“研究人员提出了一种合成高强韧离子液体凝胶的简单方法，这对于软材料领域毫无疑问是一个重大贡献。而且，高强韧离子液体凝胶和其它纳米材料的结合有可能为软电子等诸多应用提供新机遇，这些高强韧软材料的潜在用途是无限的。”

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01195-4