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  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。

  鑒于此，西安交通大學胡建教授聯合北卡羅來納州立大學Michael Dickey教授提出了一種基于原位相分離的簡單通用設計原理，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。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。該研究以“Tough and stretchable ionogels by in situ phase separation”為題發表在最新一期《Nature Materials》上。論文第一作者為王美香博士，西安交通大學胡建教授和北卡羅來納州立大學Michael Dickey教授為共同通訊作者。論文第一單位為西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室軟機器實驗室。 

【離子液體凝膠的微觀結構】

  將單體丙烯酰胺（AAm）、丙烯酸（AA）溶于離子液體1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸鹽（EMIES），通過無規共聚一步法制備聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸）（P(AAm-co-AA)）離子液體凝膠（圖1）。在PAA離子液體凝膠中，高分子鏈與溶劑具有很好的相容性，從而形成均勻的彈性網絡；在PAAm離子液體凝膠中，高分子鏈與溶劑的相容性不足，鏈內和鏈間的大量氫鍵驅使PAAm聚集形成連續的硬相；而在P(AAm-co-AA)離子液體凝膠中，富含氫鍵的硬相（AAm富相）和富含溶劑的軟相（AA富相）互穿形成雙連續相分離結構。該相分離結構是在聚合過程中自發形成，因此稱為原位相分離。

圖1 離子液體凝膠的微觀結構示意圖

  三種離子液體凝膠展現出了截然不同的力學性能，如PAA凝膠軟而弱，PAAm凝膠硬而脆，而P(AAm-co-AA)凝膠卻強而韌（圖2a，b）。當逐漸增大共聚凝膠中AAm的摩爾分數（x）時，發現相分離現象越來越明顯，特別是在x=0.8125時，形成了獨特的褶皺形貌，證實了雙連續相分離結構（圖2c-h）。進一步實驗表明在x=0.8125處，P(AAm-co-AA)凝膠的透明度和模量都發生了突變，與其雙連續相分離結構密切相關。

圖2 離子液體凝膠的照片、力學性能演示和SEM圖。

【離子液體凝膠的力學性能】

  通過改變單體濃度、摩爾分數和交聯密度等參數，優化了離子液體共聚凝膠的力學性能（圖3）。在最優配比條件下，P(AAm-co-AA)凝膠的斷裂強度為12.6 MPa，斷裂韌性為24 kJ m^-2，楊氏模量為46.5 MPa，相比于目前的大多數離子液體凝膠均取得了數量級的提升，同時維持了600%的可拉伸性能。即使與其它常見的軟材料（水凝膠、橡膠、軟骨等）相比，離子液體共聚凝膠也展現出了十分突出的綜合力學性能。結合宏觀力學測試和微觀結構表征，他們認為離子液體共聚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），而高拉伸性則來源于連續軟相的大變形。

圖3 離子液體凝膠的力學性能

【離子液體凝膠的多功能性】

  P(AAm-co-AA)凝膠具有良好的自恢復、自愈合和形狀記憶功能（圖4）。當共聚凝膠承受加載-卸載測試時，加載和卸載曲線形成了一個很大的滯后圈，表明凝膠內部耗散了大量能量；在60°C下儲存2小時后，凝膠的拉伸應力應變曲線幾乎完全恢復到初始狀態，表明能量耗散過程完全可逆（圖4a）。兩個啞鈴形樣品的斷面在60°C下愈合60秒后，可重新牢固粘接在一起（圖4b）；而在80°C下愈合24小時后，凝膠的斷裂強度可恢復到原來的60%，甚至可以提起1公斤的重物（圖4c，d）。共聚凝膠在80?C高溫下軟化賦形并冷卻至室溫以保持編程的形狀，當重新浸入80?C硅油時，可在25秒內迅速恢復至原始形狀（圖4e，f）。DMA測試表明P(AAm-co-AA)凝膠的玻璃化轉變溫度為48.2 ?C，低于48.2 ?C時，凝膠因氫鍵形成處于玻璃態，而高于48.2 ?C時，凝膠因氫鍵斷裂處于橡膠態。因此，凝膠硬相中的氫鍵斷裂與重排是自恢復、自愈合、形狀記憶等多功能性的本質原因。此外，P(AAm-co-AA)凝膠還具有抗溶脹和可3D打印的優良特性。

圖4 離子液體凝膠的自恢復、自愈合和形狀記憶功能

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01195-4

作者簡介

胡建，西安交通大學航天航空學院教授、博導，入選學校“青年拔尖人才支持計劃”A類。2006年浙江大學化工系本科；2008年浙江大學化工系碩士；2012年日本北海道大學生物系博士，師從龔劍萍教授；2012-2015年在北海道大學化學系從事博士后工作。主要研究方向為高分子軟材料（凝膠、彈性體）的合成、多尺度結構設計、力學及多功能性能分析、智能軟材料器件等。已在Nature Materials、Nature Communications、JACS、Nano Letters、Macromolecules等期刊上發表論文40余篇。

Michael Dickey，北卡羅來納州立大學化學和生物分子工程系教授。主要研究方向為軟材料、微加工、液態金屬、可拉伸/可穿戴電子器件、軟機器等。曾獲得Curtis W. McGraw Research Award (2016), Alcoa Foundation Distinguished Engineering Research Award (2017), Distinguished Leadership and Contributions to Scientific Research Award, Sigma Xi (2019)等眾多獎項。發表論文280余篇，被引超過16000次。