中科院宁波材料所阎敬灵研究员AM：限域锁定策略突破离子凝胶性能瓶颈

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所阎敬灵研究员、北京科技大学高延子副研究员开发了一种创新的“限域锁定”策略，成功制备出兼具卓越机械强度、高抗疲劳性与优异离子电导率的离子凝胶。该研究为解决离子凝胶在柔性电子、可穿戴设备及人工韧带等领域应用中长期存在的机械性能与导电性难以兼顾的难题提供了全新思路。相关成果以《Confinement-Locking Strategy Enables Ionogels With Remarkable Mechanical Robustness and Fatigue Resistance》为题，发表于国际顶级期刊《

Advanced Materials

研究团队提出了一种巧妙的限域锁定设计理念，通过将部分软段（聚己内酯，PCL）限制在由硬段组成的硬域内部，同时将离子液体（[EMIM][TFSI]）限定在软相之中。这种结构有效避免了离子液体对硬段氢键组装的干扰，并利用软段缓冲应力、促进氢键网络重组。所得离子凝胶展现出高达约45.4兆帕的拉伸强度、256.1兆焦耳每立方米的断裂韧性、超过1576%的断裂伸长率、大于91%的弹性回复率、1.04毫西门子每厘米的离子电导率、约108.1千焦耳每平方米的撕裂强度，以及创纪录的高疲劳阈值（8796焦耳每平方米），在感知型人工韧带等应用领域展现出巨大潜力。

研究团队首先从分子设计出发（图1），通过巧妙的化学结构设计，使硬段能形成十二重氢键阵列，为锁住部分软段提供了空间。同时，分子动力学模拟证实软段与离子液体之间具有更强的亲和力，这确保了离子液体被有效地限制在软相区域内，而非干扰硬段的稳定组装。这种微观结构的精心构筑是材料获得卓越性能的基础。

图1：限域锁定离子凝胶的设计原理与化学结构。 (a) 示意图展示了离子干扰硬段组装以及通过软段实现离子限域锁定的概念对比。 (b) 限域锁定离子凝胶形貌的三维示意图，以及软段、扩链剂、链连接剂和十二重氢键阵列的化学结构。

通过一系列先进表征手段（图2），研究人员证实了限域锁定结构的成功构建。红外光谱显示离子液体的加入并未影响硬段中氢键的形成，却与软段中的羰基产生了新的氢键相互作用。热分析和动态力学分析揭示了材料中软段的不同运动状态，证实了部分软段被限制在硬域中。小角X射线散射和原子力显微镜模量谱图直观地展示了材料稳定的微相分离形貌，即使在高离子液体含量下，硬域和软相依然保持清晰的界限。

图2：IE-x 和 [EMIM][TFSI] 的表征结果。 (a-c) IE-x 和 [EMIM][TFSI] 在 (a) 3000–3500 cm⁻¹, (b) 1625–1775 cm⁻¹, 和 (c) 1000–1080 cm⁻¹ 波数范围内的 FTIR 光谱。 (d) IE-x 的 DSC 二次加热曲线。 (e) IE-x 在 -100 至 60°C 温度范围内的 tan δ 曲线。 (f) IE-x 的 SAXS 剖面图。 (g) IE-x 的 AFM 模量谱图。比例尺为 200 纳米。

材料的网络稳定性通过流变和拉伸测试得到了充分验证（图3）。流变测试表明材料在宽温域内表现出以弹性为主的行为，储能模量始终高于损耗模量，证明了氢键网络的热稳定性。拉伸测试结果显示，离子凝胶在保持高伸长率的同时，仍具有出色的强度和韧性。原位广角X射线散射揭示了在拉伸过程中，软段会发生应变诱导结晶，这是材料高强度的重要来源，而离子液体的存在虽然在一定程度上抑制了结晶，但却通过其他机制提升了材料的抗损伤能力。

图3：IE-x 的网络稳定性研究。 (a) IE-0, IE-0.4, IE-0.6 和 IE-0.8 在 100°C 下的流变主曲线。 (b) 基于 Arrhenius 方程计算的松弛时间与温度关系。 (c) 离子凝胶的单轴拉伸应力-应变曲线对比。 (d-f) IE-x 的 (d) 拉伸强度, (e) 断裂伸长率, (f) 韧性汇总。 (g) IE-0.4 在 200% 应变下的原位 2D WAXS 图案。 (h) IE-0.4 在不同应变下对应的 1D 积分剖面图。 (i) IE-x 的结晶度随应变演变图。

在断裂与抗疲劳性能方面（图4），带有缺口的离子凝胶依然能承受超过740%的应变，表现出惊人的抗撕裂性。其断裂能显著高于不含离子液体的基体材料，表明离子液体与软段之间的超分子相互作用能有效耗散能量、阻碍裂纹扩展。循环拉伸测试表明，材料在经过初次较大的能量耗散后，后续循环中表现出高回弹效率和低滞后率，这意味着材料具备快速恢复和抗疲劳特性。研究人员系统评估了其疲劳阈值，发现其远超目前已报道的多数导电弹性体、离子凝胶和水凝胶。

图4：IE-x 的断裂与抗疲劳性能。 (a) IE-0.4 带缺口与不带缺口样品的应力-应变曲线。 (b) IE-x 的断裂能。 (c) IE-x 与已报道离子凝胶的拉伸强度、断裂能和 IL 含量对比。 (d) IE-0.4 在拉伸过程中应变分别为 0%, 100%, 200%, 300%, 400%, 和 500% 时的 2D SAXS 图案（拉伸方向为水平）。 (e) 拉伸过程中形态演变的示意图。 (f) IE-0.4 在最大应变为 600% 时的循环应力-应变曲线。 (g) IE-0.4 在不同最大应变下，回弹效率和滞后率随循环次数的变化。 (h) IE-0.4 在最大应变为 600% 时，应力随循环次数的演变。 (i) IE-0.4 的每周期裂纹扩展速率 (dc/dN) 与施加的能量释放率 G 的关系图。 (j) IE-x 与其他已报道的导电弹性体、离子凝胶和水凝胶的疲劳阈值对比。

除了优异的力学性能，该离子凝胶还具备良好的离子导电性和应变感知功能（图5）。其电导率随离子液体含量增加而提升，最高可达1.04 mS cm⁻¹。在拉伸过程中，材料的电阻会发生规律性变化，实现对应变的可逆、稳定监测。研究人员将离子凝胶贴附于膝关节模型，成功演示了其在不同弯曲角度下稳定输出传感信号的能力，以及在数千次拉伸循环中保持信号稳定的可靠性，预示了其在仿生关节、柔性机器人感知韧带方面的应用前景。

图5：导电性与感知人工韧带应用。 (a) IE-x 的电导率。 (b) 全原子分子动力学模拟快照及 IE-0.2, IE-0.4, IE-0.6, IE-0.8 的离子扩散系数。 (c) IE-0.1, IE-0.2, IE-0.4 和 IE-0.6 的 ΔR/R₀ 与应变的关系。 (d) IE-0.4 贴附于膝关节模型，弯曲角度分别为 0°, 30°, 60°, 和 90° 时的图像。 (e) IE-0.4 在弯曲过程中的 ΔR/R₀ 信号。 (f) IE-0.4 在最大应变为 200% 的循环拉伸过程中 ΔR/R₀ 的变化。

该研究成功开发的限域锁定策略，通过精确的微结构设计，协同调控了氢键网络、离子-聚合物相互作用、应变诱导结晶和应力缓冲等多重机制，一举攻克了离子凝胶高机械强度、高抗疲劳性与高离子电导率难以兼得的难题。所制备的离子凝胶综合性能超越了现有大多数同类材料，不仅为发展下一代柔性电子器件和能源设备提供了新的材料平台，更在仿生感知人工韧带等生物医学工程领域开辟了新的可能性，标志着多功能离子凝胶的设计与制备迈上了新台阶。