Nat Mater | 西交大团队开发坚韧、可拉伸离子凝胶，打破多项记录！

离子凝胶因其出色的离子电导率、热稳定性和电化学稳定性以及非挥发性而成为用于技术设备的引人注目的材料。然而，大多数现有的离子凝胶都存在强度和韧性低的问题。

2022年2月21日，西安交通大学胡建及北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey共同通讯（西安交通大学为第一单位）在Nature Materials（IF=44）在线发表题为“Tough and stretchable ionogels by in situ phase separation”的研究论文，该研究报告了一种简单的一步法，通过无规共聚两种常见的单体，使相应聚合物在离子液体中具有不同的溶解度，从而获得超坚韧和可拉伸的离子凝胶。

丙烯酰胺和丙烯酸在 1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐中的共聚产生宏观上均相的共价网络，具有原位相分离：这导致在同一网络中产生溶剂化程度低域和高度溶剂化域，协同增韧离子凝胶。这些离子凝胶具有高断裂强度（12.6 MPa）、断裂能（~24 kJ 8）和杨氏模量（46.5 MPa），同时具有高度可拉伸性（~600% 应变）并具有自修复和形状记忆特性。这一概念可应用于其他单体和离子液体，为一步聚合过程中原位调节离子凝胶微观结构和性能提供了一种有前途的方法。

离子凝胶——即用离子液体（ILs）溶胀的聚合物网络——由于其非挥发性、高热稳定性和电化学稳定性以及优异的离子电导率而引起了广泛关注。这些特性使离子凝胶成为水凝胶的有前途的替代品，水凝胶具有水分蒸发和天然非导电性。因此，离子凝胶有望用于可穿戴电子设备、能量存储设备、执行器和传感器。

然而，大多数离子凝胶表现出较弱的机械性能，例如低断裂强度（<1 MPa）、韧性（~1,000 J m−2）和模量（<0.1 MPa）。因此，离子凝胶主要用于不需要强大机械性能的应用，例如传感器。提高离子凝胶的机械性能可以拓宽其应用空间。例如，刚性离子凝胶（模量：10-100 MPa）可用作锂离子电池中的电解质，通过抑制锂枝晶的生长和增强设备抵抗外部冲击的能力来缓解短路等安全问题。

含有大量溶剂的凝胶通常具有弹性，但不坚韧。增韧凝胶（包括离子凝胶）的策略通常利用耗散诱导增韧理论，该理论已在水凝胶中得到广泛应用。该理论依赖于聚合物链之间的关联以在变形过程中耗散能量。这些关联通常涉及动态离子键或氢键。相分离有助于拉近聚合物链，促进相互作用，从而产生韧性。

最初在水凝胶中展示的相分离已被用于离子凝胶中，以使用嵌段共聚物胶束形成自修复材料，并使用无规共聚物作为“软”（低玻璃化转变温度，Tg）凝胶剂形成高度可拉伸的网络。这些早期的方法通过费力的加工（例如，多步合成、溶剂交换等）形成了离子凝胶，并且没有动力去制造坚韧的材料。以前的凝胶的断裂强度为 0.3-0.4 MPa，模量约为 0.1-0.3 MPa，远低于结构材料的要求（例如，软骨的断裂强度约为 10 MPa），远低于坚韧的水凝胶（ ~7 MPa 断裂强度、~210 MPa 模量和 ~40,000 J m−2 韧性）。因此，该研究寻求一种简单的方法来制造坚韧的离子凝胶。

三种离子凝胶的示意图（图源自Nature Materials ）

在高度溶剂化的网络中，很少形成氢键，因为溶剂会分离聚合物链，从而产生柔软且可拉伸的凝胶。相反，溶剂化差的网络不再是凝胶，而且通常又硬又脆。该研究通过形成由难溶性和高可溶性聚合物成分组成的无规共聚物来解决这种权衡问题。这导致在同一网络中产生溶剂化程度低域和高度溶剂化域，协同增韧离子凝胶。除了提供韧性之外，这些域还使离子凝胶具有形状记忆和自我修复特性，这些特性在离子凝胶中很少被报道。

该研究在 1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐 (EMIES) 中制备了聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸） (P(AAm-co-AA)) 离子凝胶。共聚物离子凝胶在离子凝胶的多个类别中显示出创纪录的特性，例如断裂强度 (12.6 MPa)、断裂能 (~24,000 J m−2) 和杨氏模量 (46.5 MPa)。离子凝胶还表现出高拉伸性（约 600% 应变）、良好的自恢复性以及出色的形状记忆和自修复特性。这种一步法适用于其他单体和离子液体化学物质。这些发现为以简单的方式从普通单体中获得坚韧的凝胶提供了一种实用的方法。

参考消息：

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

本文来源：公众号【iNature】

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