离子凝胶中高含量的离子液体（50-72 wt%）赋予它们高离子电导率。超导材料！

苏州大学严锋《AM》：离子凝胶新突破！集可回收、可修复和优异机械性能于一体

导电水凝胶和离子凝胶由于具有优异的可变形性、高离子电导率和敏感的刺激响应近年来在离子皮肤、软机器人和柔性可穿戴系统等前沿科技领域得到广泛应用。然而，水凝胶冷冻脱水引起的力学性能劣化、长期载荷不稳定等问题并未得到有效解决。离子凝胶继承了离子液体的特性，已成为替代水凝胶的理想候选者。在实际应用中，长期的负载循环往往会对离子凝胶造成疲劳损伤并诱发裂纹，从而降低其稳定性和准确性。目前，尚未制定有效的策略从根本上解决离子凝胶的裂纹扩展敏感性问题。虽然在聚合物网络中引入可逆的动态键可以有效地增强自-疲劳损伤或裂纹扩展过程中的愈合能力，但由于缺乏额外的能量耗散机制，在长期循环加载过程中裂纹扩展可能会导致不可逆的疲劳损伤。此外，通过可逆的机械联锁和重组聚合物链段以实现离子凝胶的回收和再利用也是目前亟需攻克的巨大挑战。

鉴于此，苏州大学严锋教授课题组提出了一种在共价交联的离子微球和线性聚合物链段之间实现互穿缠结的策略。通过将化学键与拓扑结构相结合，开发了一种具有新网络拓扑结构的离子凝胶系统。微球的可变形共价交联网络用作可逆物理交联区域，赋予离子凝胶完美的弹性和机械稳定性，能有效消散裂纹尖端的应力集中，显着提高材料的抗疲劳性能。聚合物网络与离子液体之间的可逆氢键相互作用以及离子液体与离子微球之间的静电相互作用，赋予了离子凝胶快速自愈性能。线性段和共价网络微球的互穿、纠缠和弹性微域提供了机械稳定性，消除了载荷下裂纹尖端的应力集中，并在任何载荷方向上实现了离子凝胶前所未有的抗撕裂和抗疲劳性。因此，这项工作制备的离子凝胶对裂纹扩展不敏感，可同时表现出抗疲劳性、自愈能力、可回收性和广泛的可调节机械性能。相关工作以“Recyclable, Healable, and Tough Ionogels Insensitive to Crack Propagation”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

离子凝胶的制备、力学性能及能量耗散机制

N, N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）用作线性聚合物骨架的单体。聚（1-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸）离子微球（PAMPS）用作纠缠微区，离子液体1-乙基-3-甲基咪唑鎓双[(三氟甲基)磺酰基]亚胺([EMIm]TFSI)用作溶剂（图1）。在紫外光引发自由基聚合后，聚（N, N-二甲基丙烯酰胺）（PDMAA）和微球的线性聚合物网络可逆地相互纠缠并通过氢键和离子键固定。离子凝胶表现出完美的透明度（>90%，400-800 nm）。离子凝胶可以拉伸到其初始长度的33倍，并保持280 kPa的拉伸强度（图2）。即时有缺口的样品（2wt%的PAMPS微球）可以拉伸到其初始长度的30倍。离子凝胶的断裂能（87 kJ m-2）、韧性（19 MJ m-3）和疲劳阈值（2.12 kJ m-2）远高于已报道的离子凝胶。离子凝胶在循环压缩试验中表现出完美的抗疲劳性，在30%应变下20,000次循环后没有出现明显的应力衰减。此外，共价网络微球的弹性和不连续性可以为离子凝胶提供完美的能量耗散机制，从而大大提高抗疲劳性和裂纹扩展的不敏感性。离子凝胶中聚合物网络、共价交联微球和离子液体之间存在可逆动态键相互作用。制备的离子凝胶在-48℃的相变证实了它们优异的抗冻性。离子凝胶250℃的高温条件下可以保持稳定超过1800分钟，表明具有高热稳定性。

图1离子凝胶的制备和能量耗散机制示意图

图2离子凝胶的力学性能和共价网络微球的能量耗散机制

离子凝胶自愈性、粘附性和可回收性

多种可逆相互作用（如纠缠、氢键和离子键）的存在使制备的离子凝胶具有优异的自愈性能。切断的离子凝胶可在-20℃的极低温下48小时内实现完全自愈（裂纹消失）。当温度进一步升高时，在20℃和100℃下分别在5 h和20 min内实现快速自愈（图3）。断裂的离子凝胶的机械性能在愈合后几乎可以恢复到初始状态。离子凝胶中的羰基、磺酸、酰胺等极性基团可通过配位、氢键、离子键等方式与不同基材形成强相互作用。离子凝胶可粘附于不同基材（铜、木材、玻璃、聚四氟乙烯、钢 和橡胶），并且可以拉起质量为200 g的重物，相应的剪切强度（0.27-0.66 MPa）。互穿的共价网络微球和聚合物链段重新排列和重新缠结，氢键重新组合，实现离子凝胶的再生和利用。离子凝胶的机械性能在循环后没有显着变化，这证实了良好的可回收性。

图3离子凝胶的自修复、粘附和可回收特性

离子凝胶的电传感特性

离子凝胶中高含量的离子液体（50-72 wt%）赋予它们高离子电导率。离子凝胶在-40至120℃的宽温度范围内表现出超高离子电导率（0.001-1.340 S m-1）。自粘离子凝胶可以附着在手指关节上以监测运动状态。基于离子凝胶的应变传感器可以重复监测手指关节在15-90度之间的弯曲，所获得的信号具有高度的可重复性和可靠性。传感器可以实现快速响应（80 ms）和恢复（150 ms）时间的重复和可逆响应。基于离子凝胶的应变传感器可用于监测手腕处的脉搏信号。在放松和运动期间，心率分别准确测量为68和86次/分钟。此外，线性网络和共价微球的纠缠微区可以作为弹性能量耗散剂，赋予离子凝胶优异的机械稳定性。因此，基于离子凝胶的应变传感器的耐久性测试显示出在100%应变下3000次循环下的出色信号稳定性。

图4离子凝胶的电传感特性

小结：作者用缠结代替主体材料的共价交联制备了一种离子凝胶。缠结微域被用作物理交联，同时引入了可逆的键相互作用。基质的线性片段和共价微球可以可逆地解开和重组。疲劳或废弃的离子凝胶可以成型和恢复，以实现机械再生。总体而言，制备的离子凝胶具有高拉伸性、抗疲劳性、可调节机械性能、对裂纹扩展不敏感、自愈、可回收，并在高灵敏度应变传感器中表现出良好的性能。