聚合物凝膠材料在軟體驅動器、電子皮膚等許多新興領域有重要的應用前景。低遲滯特性有利于聚合物凝膠材料在循環載荷的應用中維持較長的使用壽命。實際上，通過共價交聯的方法可以在小應變下賦予聚合物凝膠材料低遲滯性能，但固定交聯點的存在也會一定程度上影響應力的轉移，從而導致較弱的韌性和抗疲勞性能。為了解決這些問題，在聚合物網絡中引入超分子相互作用（包括非共價相互作用和動態共價相互作用）得到了較大的關注。盡管這類超分子策略很大的改善了抗疲勞性能，但也帶來了明顯的殘余應變和遲滯。因此，設計兼具低遲滯和高韌性的聚合物凝膠材料，仍然是一個巨大的挑戰。
為了獲得低遲滯特性，聚合物凝膠材料一方面要提升儲能模量，另一方面也要減少或消除能量耗散。在最近的報道中，通過在聚合物網絡中引入高彈或者滑環交聯劑、仿織物的纏結或者納米限域的方法可以很大的提升彈性并有利于應力的轉移。再者，通過溶劑充分溶脹凝膠材料，可以很大程度的消除聚合物分子鏈的摩擦以及隨之而來的能量耗散。為了進一步提升韌性和減少應力集中，可以在聚合物拓撲中引入更多的物理纏結。然而，這類策略并不適合于制備低遲滯離子凝膠材料。主要的挑戰在于離子液體（IL）通常具有較高的粘度，其會大大增加離子凝膠的鏈摩擦，并在變形過程中耗散大量的能量，不利于離子凝膠材料實現低遲滯特性。
圖一. 基于四重氫鍵的低遲滯、高韌性超分子聚合物離子凝膠
其次，作者詳細的探討了PAU-2的低遲滯性能（圖三）。PAU-2在不同應變下都可以保持較好的低遲滯特性。同時，離子液體和聚合物的含量對遲滯性能也有明顯的影響。此外，PAU-2在不同應變速度下都展現了相同的低遲滯特性，表明了拉伸速率遠小于網絡中π-π堆疊重組的速率。更吸引人的是PAU-2可以在5000次循環條件下維持低遲滯特性。
此外，作者通過流變儀、低場核磁、原子力顯微鏡和二維紅外等探究了PAU-2低遲滯特性的分子機制（圖四）。實驗結果表明，在應變條件下，這些自組裝納米聚集體的π-π堆疊易解離并可迅速重新結合，可實現低能量耗散的應力轉移。另一方面這些超分子納米聚集體可以像化學交聯劑一樣有效地固定聚合物鏈段以提高彈性。因此，離子凝膠中的自組裝納米聚集體在兩個方面協同工作，實現了低滯后特性。
最后，作者探究了PAU-2的抗疲勞性能。實驗結果表明，PAU-2在有缺口的狀態下仍然可以循環使用5000次以上，并可以維持低遲滯性能（圖五）。偏光顯微鏡結果表明PAU-2中的缺口不會發生擴展，表現出優異的抗缺口性能。此外，作者通過替換離子液體和單體，證明了該超分子策略的普適性（圖五）。由于力學的低遲滯特性，PAU-2也展現了較好的電學低遲滯特性。進一步作者將PAU-2用于軟體驅動器的傳感，證明了其應用前景。
圖五. 抗疲勞性能表征和普適性探究
以上研究成果近期以“Low-Hysteresis and Tough Ionogels via Low-Energy-Dissipating Cross-Linking”為題，發表在《Advanced Materials》上。東華大學化學與化工學院碩士研究生孫彬為文章第一作者，青年教師劉凱博士為共同第一作者和共同通訊作者，孫勝童研究員和武培怡教授為論文的共同通訊作者。
全文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408826
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