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[转载]【封面文章】南京大学曹毅教授课题组：强韧、透明、自愈合且具有优异的防潮性和抗冲击性的离子凝胶

已有 945 次阅读 2025-9-5 17:33 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

封面设计理念：微观分子构象作为背景，代表离子凝胶体系物理特性的根本来源。象征着前驱液的溶液从机械装置中流出，寓意离子凝胶的工业化前景，溶液中正负离子代表其中的离子液体组分。在象征紫外光照的紫色光晕效果下，溶液从液态转变为固态，代表凝胶的紫外固化过程。逐渐恢复的缺口和冲击感的铁球分别表现出离子凝胶的自愈合特性和抗冲击性能。图片下方的波纹状水溶液，除了体现铁球冲击作用外，还代表离子凝胶的溶液耐受性。离子凝胶左侧由一只机械手握住，寓意着其在软机器人，智能设备等前沿领域的应用前景。

文章信息

Chinese J. Polym. Sci., 2025, 43(9), 1483−1495DOI: 10.1007/s10118-025-3388-5

创新点：

本文介绍了一种通过简单的一步聚合策略设计，将氢键和离子偶极子相互作用结合在物理交联网络中的超分子离子凝胶。这种双重相互作用架构使离子凝胶具有高抗拉强度（9 MPa），优异的断裂韧性（23.6 MJ·m⁻³），并在温和的热刺激下可快速自愈。该材料保持高度透明，并表现出优异的耐潮湿、酸和盐环境性能，在溶液环境中表现出极小的溶胀率和性能衰退。此外，在高速冲击过程中，它有效地耗散超过80 MJ·m⁻³的能量，为脆弱的基材提供可靠的保护。这项研究为弹性和适应性软材料提供了一个广泛适用的分子设计框架。

研究背景

兼具高力学强度、透明度、自修复能力及环境稳定性的柔性材料开发，仍是高分子科学领域的重大挑战。此类材料在例如个人防护、航空航天、交通运输、军事装备及电子设备等要求材料能同时承受机械形变、抵抗环境干扰并实现损伤自愈的应用场景中有着迫切需求。

重要内容

基于上述背景，南京大学物理学院曹毅教授课题组采用简便的“一锅法”，将单体组分，离子液体组分和光引发剂混合均匀后，直接紫外固化即得到多功能性离子凝胶。离子凝胶的聚合物网络由丙烯酸乙酯（EA），丙烯酰胺（AM）和甲基丙烯酰氧乙基三甲基铵构成，并且额外引入了少量的[N₄₁₁₁][TFSI]离子液体作为增塑剂来提高离子凝胶的延展性和能量耗散效果。胺基官能团作为氢键供体，能和与高分子链中的各个分子形成氢键相互作用，增强了离子凝胶的强度和韧性。高分子链上的甲基丙烯酰氧乙基三甲基铵（[MATAC]）由其对应的离子液体聚合而来，带正电的季铵侧链可以与AM中羰基偶极部分形成离子-偶极相互作用实现对离子凝胶力学性能的进一步提升。额外引入的 [N₄₁₁₁][TFSI]离子液体能和聚合物的弹性网络有着很好的离子-偶极相互作用和氢键相互作用，保证自身不会因离子凝胶受力产生的大形变而泄露（图1）。

图1 多功能性离子凝胶的制备和网络结构：（a）采用“一锅法”制备离子凝胶流程示意图；（b）离子凝胶的各组分分子结构和网络结构示意图

文章通过核磁，红外光谱和DFT理论计算研究了离子凝胶中的分子间相互作用。添加EA或者AM后，季铵阳离子―N(CH₃)₃⁺中氢的化学位移在高场移动，证实了阳离子与偶极基团之间存在离子-偶极相互作用。FTIR表征了组分改变下各个特征峰的变化，证明离子凝胶内氢键和离子-偶极相互作用的形成。DFT理论计算了这两种相互作用的结合能，证明对应分子更倾向于彼此形成对应相互作用。

接下来，文章系统地研究了不同组分下离子凝胶的力学特性。单轴拉伸测试证明氢键和离子-偶极相互作用有效增强离子凝胶的模量和断裂强度，并且纯物理交联使得离子凝胶在维持高力学强度同时仍保留有较好的延展性。离子凝胶最大断裂强度可达~9 MPa，最大断裂韧性可达23.57 MJ·m^-3。此外，离子凝胶还展现出优秀的能量耗散能力和94%以上的高光学透过率（图2）。

图2 多功能性离子凝胶的力学和光学特性。AM提供氢键的离子凝胶的（a）应力-应变曲线，（b）杨氏模量和断裂功；（c）拉伸前后的离子凝胶照片（比例尺：2 mm）；甲基丙烯酰胺（MAM）提供氢键的离子凝胶的（d）应力-应变曲线；（e）杨氏模量和断裂功；AM提供氢键的离子凝胶的（f）应力加载-卸载曲线、（g）能量耗散和能量耗散比和（h）可见光透过率。

文章进一步表征了多功能性离子凝胶的动态特性。离子凝胶的玻璃化转变温度会随着离子-偶极相互作用密度增加而上升。在高密度的非共价相互作用下，离子凝胶表现出近300 °C分解的热稳定性。离子凝胶还表现出化学交联聚合物不具有的动态恢复性，循环拉伸后5 min热处理即可恢复完全力学性能，在经历折叠、扭转、拉伸后均可恢复原状。加长热处理时间甚至可以使得切口愈合，愈合后样品恢复大部分力学性能，能够支撑自身重量4000倍的重物（图3）。

图3 离子凝胶的动态性。（a）离子凝胶损耗因子的温度依赖性；（b）离子凝胶的差示扫描量热法（DSC）和（c）热重分析（TGA）曲线；（d）离子凝胶在应力加载-卸载曲线中的恢复情况；离子凝胶经受（e）折叠、扭曲，（f）拉伸并恢复后的照片（比例尺：1 cm）；（g）原始状态与自修复后离子凝胶的应力-应变曲线；（h）离子凝胶在预制缺口和拼接修复30秒后的照片（比例尺：1 cm）；（i）原始状态及完全拼接愈合后重新接合的离子凝胶提起重物的照片。

文章还表征了离子凝胶的溶液耐受性与可回收性。离子凝胶由疏水网络骨架与疏水离子液体组成，在水接触角测试中表现出明显的疏水特性。在60% RH和90% RH的潮湿空气中长时间放置（35天）也能够保证自身质量不变。即使直接浸泡在水、盐和酸溶液中也能够维持自身形貌，少量溶液的渗入也可以通过热处理出去溶液的方式使离子凝胶力学性能维持基本不变。离子凝胶还可以通过有机溶剂进行循环回收利用，重新制备的离子凝胶的力学强度与初始状态保持一致，在降低成本和环境保护方面展现出重要的应用价值。

文章最后详细探究了离子凝胶的抗冲击性能。高应变速率的分离式霍普金森压杆（SPHB）和准静态压缩实验验证了离子凝胶具备出色的冲击韧性和抗压缩能力，在9000 s^-1的应变速率下，冲击韧性高达80 MJ·m^-3。离子凝胶的动态键在形变中解离并耗散能量，因此表现出商用PDMS更好的吸能效果，作为能量吸收层能够吸收小球动能使其只发生极小的回弹。在实际使用中，即可作为缓冲垫保护从0.8 m下落的烧杯不破碎，也可以阻挡上方冲击能量传递，从而保护下方脆性玻璃材料。定量实验证明，0.2 mm厚的离子凝胶可以使得冲击力峰值降低~40%（图4）。

图4 离子凝胶的抗冲击性能表征。（a）SPHB测试系统示意图；（b）不同应变率下离子凝胶的压缩应力-应变曲线；（c）不同应变率下离子凝胶的准静态压缩测试；（d）以PDMS弹性体和（e）离子凝胶作为缓冲层时钢球回弹高度对比示意图；（f）不同跌落高度下球的回弹情况。

黄啸宇博士研究生是该论文的第一作者，雷海副教授和曹毅教授为通讯作者。本工作以题为“Tough, transparent, self-healing ionogel with exceptional moisture and impact resistance”发表在Chinese Journal of Polymer Science 2025年第9期，欢迎关注！

该项工作得到国家自然科学基金（基金号：T2222019、T2225016）、国家重点研发计划（基金号：2024YFA0919300）以及中央高校基本科研业务费（基金号：020414380232、021414380534）的资助。

Citation: Huang, X. Y.; Zhu, H. Q.; Li, L. F.; Lv, T. C.; Li, H. Y.; Gu, J. J.; Wang, W.; Xue, B.; Lei, H.; Cao, Y. Tough, transparent, self-healing ionogel with exceptional moisture and impact resistance. Chinese J. Polym. Sci. 2025, 43, 1483–1495.