中国科大龚兴龙教授《自然·通讯》：超高强度离子凝胶，抗冲击性能超越凯夫拉

离子凝胶凭借优异的导电性、电化学稳定性和非挥发性，在柔性电子、软体机器人、防护装备及航空航天领域展现出广阔前景。然而，传统离子凝胶机械强度低、易断裂，在极端温度、高冲击力或强振动环境下可靠性不足，制约了其在汽车安全、航天防护等关键场景的应用。提升离子凝胶的力学性能以应对高强度复杂环境，已成为亟待突破的技术难题。

中国科学技术大学龚兴龙教授、桑敏副研究员团队开发出一种原位局部取向辅助盐析增强策略，成功制备出具有高强度、高韧性和卓越抗冲击性的离子凝胶。该技术通过离子液体替代传统盐溶液，结合局部取向诱导的聚合物链微取向结构，使聚乙醇（PVA）离子凝胶的强度（18.1–62.2 MPa）、韧性（56.8–123.7 MJ m⁻³）和模量（18.8–187.8 MPa）实现可调控提升。其弹道冲击能量吸收高达18.4 kJ m⁻¹，超越凯夫拉纤维，为柔性防护材料树立新标杆。相关论文以“In-situ localised alignment assisted salting-out enhanced ionogels with high strength, toughness and impact resistance”为题，发表在Nature Communications上，论文第一作者为Zhang Zhentao。

PL-凝胶的制备与力学性能

研究团队以乙二醇（EG）和PVA为原料，经130℃混合后冷冻形成有机凝胶，再将其固定在聚氨酯板上，浸入离子液体[Bmin]BF₄中进行离子交换。两端固定设计限制了凝胶自由收缩，使其沿长度方向产生拉伸应力，诱导分子链物理交联点定向排列，形成高度有序的微取向结构（图1a-b）。所得PL-凝胶透光率超90%（图1c），X射线散射证实其结晶度达54%（图1f），显著高于普通有机凝胶（10.3%）。力学测试显示，PL-凝胶拉伸强度（26.2 MPa）和韧性（123.7 MJ/m³）分别为有机凝胶的11.1倍和12.1倍（图1g-h），并可承受自重58,823倍的10kg水桶载荷。

图1 PL-凝胶的制备与力学性能 a. PL-凝胶制备流程示意图；b. PVA、EG与离子液体（ILs）的分子间相互作用；c. PL-凝胶的光学透明度；d. 离子液体、PVA、EG、有机凝胶、PD-凝胶及PL-凝胶的FT-IR光谱；e. 有机凝胶、PD-凝胶及PL-凝胶的XPS光谱；f. 三者的1D广角X射线散射曲线；g. 拉伸应力-应变曲线；h. 韧性及拉伸强度对比。

性能优化设计策略

通过对比不同盐析剂（NaCl、[Bmin]BF₄等）效果，发现离子液体处理的凝胶韧性（109.5 MJ/m³）和断裂应变（1012.5%）最优（图2a-c）。预拉伸实验表明，75%预拉伸使凝胶强度提升但韧性下降（图2d-f），而盐析时间7天可实现取向与密实化的最佳平衡。纯剪切测试中，PL-凝胶断裂能（727.6 kJ m⁻²）达有机凝胶的31倍，证明其高效抑制裂纹扩展的能力（图2g）。

图2 PVA离子凝胶的强韧化设计策略 a. 不同盐析剂处理的PVA有机凝胶拉伸曲线；b. 拉伸强度与断裂应变对比；c. 韧性与杨氏模量对比；d. 不同预拉伸PL-凝胶的拉伸曲线；e-f. 预拉伸对强度、应变及模量的影响；g. 含缺口/无缺口样品的拉伸曲线；h-i. PL-凝胶与已报道凝胶的性能对比。

分子动力学揭示增强机制

模拟分析显示，离子液体与PVA链的结合能（-80.9 kcal/mol）远高于乙二醇（-21.1 kcal/mol）（图3a-d）。径向分布函数证实，盐析后氟（F）取代氧（O）与氢形成更强氢键（峰位1.6 Å），且配位数增加（图3g）。分子位移分析表明，离子液体通过氢键网络限制乙二醇运动，提升链间相互作用力，使凝胶结构更稳定（图3h-i）。

图3 分子动力学模拟揭示增强机制 a-c. EG-EG、EG-ILs、ILs-ILs的分子构型；d. 三者相互作用能对比；e-f. 盐析前后凝胶分子构型；g. PL-凝胶中F-H的径向分布函数；h-i. 不同凝胶中乙二醇的轨迹及均方位移。

卓越抗穿刺与抗冲击性能

准静态穿刺测试中，PL-凝胶最大穿刺力（139.7 N）和穿刺能（2.6 J/m）分别为有机凝胶的9.1倍和11.8倍（图4b-c）。动态弹道冲击实验显示，其临界击穿速度达141.0 m/s，在163.9 m/s冲击速度下能量吸收（18.44 kJ/m）为凯夫拉的3.3倍（图5f-g）。微观图像显示断裂面存在纤维拔出效应，印证微取向结构对韧性的贡献（图4f-g）。

图4 抗穿刺性能 a. 动态穿刺实验示意图；b-c. 准静态穿刺力-位移曲线及穿刺能；d-e. 动态穿刺性能；f-g. PD-凝胶与PL-凝胶穿刺后形貌；h. PL-凝胶与现有材料的穿刺性能对比。

图5 抗冲击与能量耗散能力 a-b. 90cm/50cm落锤冲击的力-时间曲线；c-d. 峰值力与缓冲时间；e. 弹道冲击系统示意图；f. 弹丸穿透不同材料后的残余速度；g. 能量耗散对比；h-i. PD-凝胶与PL-凝胶的冲击过程。

技术的普适性与拓展应用

该策略成功拓展至聚丙烯酰胺（PAAM）水凝胶体系。局部取向辅助盐析处理的PAAM-L凝胶强度（591.8 kPa）和韧性（1.8 MJ/m³）提升4倍以上（图6a,d），穿刺能达普通水凝胶的14倍（图6f）。2D广角X射线散射证实其离子-聚合物相互作用增强（图6g-i），结合导电功能化设计，可应用于人体运动监测传感器。

图6 局部取向辅助盐析策略的普适性 a. PAAM基凝胶的拉伸曲线；b-c. 准静态/动态穿刺力-位移曲线；d. 韧性及强度对比；e-f. 准静态/动态穿刺能；g-i. PAAM水凝胶、PAAM-D凝胶及PAAM-L凝胶的2D广角X射线散射模型。

应用前景展望

此项研究通过离子液体强化氢键网络与局部取向诱导结晶的协同策略，攻克了离子凝胶力学性能瓶颈。分子机制与普适性验证（如PAAM体系）表明，该技术有望推动柔性电子、航天装甲、智能防护装备等领域的革新。未来通过优化疲劳抗性，这类超强凝胶或将成为极端环境下人类安全的“隐形护盾”。

来源：高分子科学前沿

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