日期：
来源：高分子科学前沿收集编辑：
目前常见的天然和合成高强度材料（如橡胶、塑料、陶瓷和金属）的均具有较差的变形能力。而制备可同时实现高强度和较大的变形能力的材料目前来说是一个巨大的挑战。
基于此，苏州大学严锋团队通过力诱导结晶和卤金属盐离子液体的协同作用开发了高强度离子凝胶，形成了超分子离子网络。制备的聚乙烯醇/卤素金属离子液体离子凝胶显示出优异的机械性能，包括极限断裂应力（63.1±2.1 MPa）、应变（5248±113%）和前所未有的韧性（1947±52 MJ m-3），远高于大多数金属和合金。此外，离子凝胶可以通过水实现可逆性，实现绿色恢复和受损机械性能的恢复。该论文以“Supramolecular Ionogels Tougher Than Metals”为题发表在Advanced Materials期刊上。图1 超韧性、超拉伸可结晶超分子离子凝胶的制备过程、力触发机制和超分子相互作用的示意图在此，作者通过使用溶剂置换的后超分子生长策略，开发了力诱导结晶超分子离子凝胶（图1）。卤代金属盐离子液体取代了聚乙烯醇（PVA）水凝胶中的水，并基于氢键作用与聚合物链段形成了强烈的三维超分子相互作用（图1）。在逐步应变过程中，这种超分子网络在力的驱动下不断产生更多的结晶微区，以增强离子凝胶。富含硬聚合物的结晶微区充当应力转移中心以防止应力集中，而富含软溶剂的微区通过可逆的超分子相互作用耗散能量。作者证明了氢键和配位键的形成从而证明了聚合物网络和溶剂(Bmim)(ZnxBry)之间的合适结构设计，并且可以在溶剂/溶剂和溶剂/聚合物之间形成三维超分子结构。溶剂不仅稀释了聚合物链段以增加柔性，而且增加了所形成的离子凝胶的断裂韧性。如图2e-g所示，当没有施加外部负载时，离子凝胶的相邻纳米晶畴之间的初始平均间距为9.5 nm。此外拉伸过程中施加的力，纳米晶畴之间的非晶聚合物链段排列得更加紧密有序。随着外载荷应变的增加，离子凝胶中产生了更多的纳米晶体，即发生了渐进结晶强化机制。图2 制备的超韧性离子凝胶的超分子结构表征和渐进结晶强化机制PVA水凝胶的极限断裂应力和应变分别为0.91±0.04 MPa和938±28%（图3a）。通过溶剂交换进行超分子生长过程后，离子凝胶-0.5、1、5和10展现出显著提高的机械性能（52.8±1.2 MPa极限断裂应力，5100±126%的极限断裂应变）（图3a）。作者发现ZnBr2会显著影响凝胶的机械性能，因形成的阴离子基团影响超分子溶剂的交联密度。与PVA水凝胶相比，离子凝胶-5的极限断裂应变、极限断裂应力、韧性和杨氏模量分别提高了5.6倍、69.3倍、516.4倍和291.2倍。由于超高强度和延展性，离子凝胶的超高韧性（690±16至1947±52 MJ m-3）是已报道的韧性离子凝胶和水凝胶的25至10000倍（图3e）。离子凝胶结合了极好的拉伸性和比无溶剂聚合物（如Kevlar、聚氨酯、合成橡胶、天然高强度肌腱和蜘蛛丝）大得多的韧性，甚至比金属和合金高出一个多数量级。此外制备的凝胶还具有由于超高强度和抗裂纹扩展性，超过了大多数报道的坚韧离子凝胶。此外，纳米晶体可以作为应力传递和耗散中心，赋予离子凝胶良好的抗疲劳性。在200%的应变下连续拉伸800次循环后，最大应力没有表现出明显的衰减。通过模拟计算得知纳米晶区域会抵抗裂纹尖端的应力集中，主应力集中通过纳米晶微畴分布，并沿纳米晶转移，从而耗散能量，避免材料失效断裂。此外，纳米晶体刺激了离子凝胶的模量，证实了结晶强化机制。作者证明了合成的凝胶在热水中具有有效的可回收性（图4c）。由于离子凝胶是通过可逆的超分子相互作用交联的，因此不存在不可逆的共价化学交联。在加热过程中，氢键和金属配位键在水中断裂，导致PVA链段可逆地解开，并在水中形成稀释、分散或溶解聚合物链段（图4a）。随着水的蒸发，PVA链段的超分子相互作用和缠结得以恢复。在连续四个疲劳循环后（图4b），受损的离子凝胶几乎恢复了机械性能（极限断裂应力、应变、杨氏模量和韧性）。所制备的离子凝胶的环境适用性和可持续性大大提高。离子凝胶具有优异的形状记忆性能和加工性能。长度为5厘米、宽度为3厘米的离子凝胶样品可以弯曲和折叠（图4d）。在80°C下，离子凝胶可以加工成任何想要的形状，并且在室温下冷却5秒后可以快速固定形状。反之，在80°C下加热5 s，离子凝胶可以恢复其原始形状。超薄离子凝胶的厚度仅为0.2毫米，可承受500克的重量，证明了其卓越的强度和在支撑结构部件方面的潜在应用（图4d），并且可以形成更复杂的螺旋形状（图4e）。灵敏的温度响应、形状记忆性能和加工性归因于可逆的超分子相互作用、还原氢键、离子键和其他超分子在高温下的相互作用。总结：该工作所制备的离子凝胶结合了优异的机械性能、导电性、可回收性和极端耐环境性，有望在航空航天、机器人和其他领域取代轻质高强度材料，如塑料和橡胶。--纤维素推荐--
--测试服务--
--荐号--
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！