可拉伸離子導電水凝膠作為關鍵材料，在健康監測、人機交互和軟體機器人等領域展現出了廣闊的應用前景。然而，離子導電水凝膠通常面臨著機械強度低、韌性差、低溫結冰失效、動態可逆性差等瓶頸問題，極大制約了其在可穿戴電子設備中的應用。離子導電水凝膠的力學強度與其交聯網絡結構的可逆性之間存在著矛盾關系，提高水凝膠網絡的交聯強度和交聯密度可以顯著提升其力學強度，然而這不可避免地限制聚合物分子鏈的運動能力和重排能力，從而限制交聯網絡結構的可逆性，進而降低其力學韌性、自粘附和自修復性能。因此，如何設計構筑高強高韌、快速應力恢復、寬溫度使用范圍、自粘附/自修復的透明離子導電水凝膠，具有挑戰性。

東華大學納米復合與能源材料團隊提出了氫鍵網絡致密化策略，在離子凝膠體系中設計了起到分級響應作用的高密度氫鍵網絡結構，根據氧、氮電負性的不同，分別利用羥基和氨基之間以及咪唑上3-N和氨基之間形成了多級氫鍵網絡結構（圖1（a）），進一步獲得了高可拉伸、快速應力恢復、抗凍、自粘附/自修復的透明離子凝膠彈性體材料（PAM-r-MVIC）。離子凝膠彈性體骨架中的咪唑類離子結構可鎖定對離子，使凝膠網絡穩定性提高且離子不易流失。高密度的多級氫鍵網絡結構，使得所制備的離子凝膠彈性體兼具了高力學強度和鏈段動態能力，強氫鍵網絡結構作為穩定交聯實現力學強度的提升，而弱氫鍵網絡結構能夠在形變過程中通過斷裂吸收能量，實現力學韌性的提升和快速應力恢復性能（圖1（b-c））。

圖1  氫鍵網絡致密化策略構建離子凝膠彈性體的設計示意圖和力學性能（a）高密度多級氫鍵網絡結構的示意；（b）彈性模量和韌性；（c）高可拉伸和快速應力恢復性能展示

耗散粒子動力學（DPD）模擬和均方位移（MSD）計算進一步解釋了高密度氫鍵網絡的形成對于離子凝膠彈性體的力學強韌化作用（圖2）。離子凝膠彈性體未發生形變時高分子鏈和氫鍵處于無序狀態，在受力拉伸過程中可逐步發生取向排列（圖2（a-b））。DPD模擬結果表明，離子凝膠彈性體的拉伸強度和斷裂韌性隨著氫鍵密度的增加而增加（圖2（c））。離子凝膠彈性體的氫鍵密度越高，其在拉伸過程中高分子鏈和氫鍵結構越易發生取向（圖2（d））。MSD間接反映了分子鏈的運動能力（圖2（e）），離子凝膠彈性體在較長時間范圍內表現出擴散行為。擴散系數Dc（正比于MSD在較長時間時的斜率）隨著氫鍵密度的增加而減小，表明高密度氫鍵的存在限制了離子凝膠彈性體鏈段的運動能力，提高了拉伸強度。

圖2  高密度氫鍵結構離子凝膠彈性體的力學強韌化機制和擴散行為的模擬計算結果 （a）具有5個接枝臂的離子凝膠彈性體的耗散粒子動力學模型；（b）拉伸和恢復過程中高分子鏈和氫鍵結構取向和解取向的示意圖；（c）拉伸條件下隨氫鍵含量增加的應力-應變曲線和（d）高分子鏈有序度-應變曲線；（e）不同氫鍵網絡密度的離子凝膠彈性體分子鏈段隨時間的擴散行為

高密度的多級氫鍵網絡結構，使得所制備的離子凝膠彈性體兼具了高力學強度和鏈段動態性，能夠同時實現高強高韌和室溫自修復/自粘附等性能。由于離子凝膠彈性體具有豐富的極性官能團，可自發粘附于塑料、玻璃、金屬等多種基體表面（圖3（a）），還能展現出較高的粘附強度（圖3（b）），并實現多次重復粘附，如在金屬表面經20次重復粘附后仍具有較高的粘附強度（圖3（c））。離子凝膠彈性體同時具有較好的抗凍性，在-20℃~80 ℃的溫度范圍內均具有較高的離子導電率（圖3（d））。高密度氫鍵結構具有高可逆性，使得離子凝膠彈性體具有室溫自修復性能（圖3（e）），樣品經切斷和自主修復后，其導電性能可快速恢復到初始水平（圖3（f））。

圖3  離子凝膠彈性體的自粘附、自修復和抗凍性能離子凝膠彈性體（a）可自發粘附于多類基體表面；（b）在塑料、金屬和玻璃表面的粘附強度；（c）在金屬表面的可逆粘附性能；（d）離子凝膠彈性體在寬溫度范圍內對形變的穩定電阻響應；（e）離子凝膠彈性體經切斷和自修復后，點亮LED燈泡的數碼照片；（f）離子凝膠彈性體可快速自修復并實現導電功能的恢復

氫鍵網絡致密化策略設計構建高性能離子凝膠彈性體的研究工作，為發展高強高韌、快速應力恢復、寬溫度使用范圍和自粘附/自修復的透明離子凝膠彈性體及其離子皮膚傳感器提供了重要參考。

原文鏈接：

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9761625/

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