你能想象0.2克的“繩子”可以提起5千克重的物體嗎？沒(méi)開(kāi)玩笑，這是科研人員最新研發(fā)出的一種力學(xué)性能驚人的新材料，它不但具有很好的拉伸性能，拉伸長(zhǎng)度達(dá)600%，還非常堅(jiān)韌。

近日，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)Dickey實(shí)驗(yàn)室博士后王美香以第一作者的身份在《自然—材料》發(fā)表論文，介紹了這款新材料。它是一種離子液體凝膠，在抗拉伸性能和韌性上創(chuàng)造了這類材料的最高紀(jì)錄，也展現(xiàn)出比水凝膠更廣闊的應(yīng)用前景。

評(píng)審專家之一、美國(guó)麻省理工學(xué)院教授趙選賀認(rèn)為，“這些透明的離子液體凝膠具有非常堅(jiān)韌的機(jī)械性能，最大的亮點(diǎn)是制作簡(jiǎn)單、易于使用?！?/p>1+1≥10，凝膠界的“佼佼者”

“通常凝膠的機(jī)械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人體內(nèi)的軟骨。一些研究人員一直在努力制造堅(jiān)韌的凝膠，這啟發(fā)了我們?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、北卡羅來(lái)納州立大學(xué)Dickey實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Michael D. Dickey教授告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

此次創(chuàng)造出的離子液體凝膠含有超過(guò)60%的離子液體，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺兩種物質(zhì)，前者是用于嬰兒尿不濕吸水的主要材料，后者是用于隱形眼鏡的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸離子液體凝膠的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了1+1≥10的效果。

王美香介紹，新材料透明度達(dá)90%以上，其內(nèi)部的聚合物網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)使凝膠擁有極高的力學(xué)性能，可拉伸且非常堅(jiān)韌。拉伸的長(zhǎng)度能達(dá)600%，模量有約50個(gè)兆帕，斷裂強(qiáng)度約有13個(gè)兆帕。這是目前離子液體凝膠界的最高紀(jì)錄。

論文中展示的是，用0.2克離子液體凝膠材料輕松提起1千克重量的物體。事實(shí)上提起5千克也不在話下，但因?qū)嶒?yàn)室沒(méi)有5千克的標(biāo)準(zhǔn)件，他們后來(lái)用5千克的水桶做了實(shí)驗(yàn)，材料本身沒(méi)有任何破損。

離子液體這種溶劑本身不揮發(fā)，且具有很高的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。因此，這款離子液體凝膠具有廣闊的應(yīng)用前景，“可用于電池、傳感器、3D打印、驅(qū)動(dòng)器和柔性電子設(shè)備等”。Dickey說(shuō)。

可穿戴柔性電子器件是當(dāng)下科研熱門之一，對(duì)材料的要求極高，要同時(shí)滿足可彎折、扭曲、拉伸等需求。以往用得較多的是傳統(tǒng)柔性材料——水凝膠，但水凝膠的穩(wěn)定性是個(gè)大問(wèn)題，長(zhǎng)期暴露在空氣中會(huì)導(dǎo)致水分蒸發(fā)、性能受損。

“離子液體凝膠完全可以替代水凝膠在可穿戴柔性電子器件上的應(yīng)用。首先它很穩(wěn)定，不揮發(fā)，不需要任何包覆；其次具有高導(dǎo)電性，不需要額外添加導(dǎo)電介質(zhì)；可穿戴設(shè)備往往需要大變形，離子液體凝膠還可以用來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)變傳感器?！蓖趺老阏f(shuō)，“還有一點(diǎn)，它具有自愈合和形狀記憶的特性?！?/p>一步法輕松做成

長(zhǎng)期以來(lái)，在凝膠材料領(lǐng)域最火的非水凝膠莫屬。實(shí)際上，水凝膠在生活中已相當(dāng)常見(jiàn)。比如，隱形眼鏡、果凍、龜苓膏等都是水凝膠的“產(chǎn)物”。

自62年前水凝膠橫空出世，科研人員便努力挖掘其力學(xué)性能，涌現(xiàn)了無(wú)數(shù)重大成果。但同為凝膠材料，離子液體凝膠領(lǐng)域的研究則發(fā)展較慢，例如力學(xué)性能研究還是一塊空白，很難達(dá)到與高強(qiáng)度水凝膠相媲美的程度。

在這篇論文發(fā)表之前，合成高強(qiáng)度離子液體凝膠并不容易。為了提高材料的力學(xué)性能，一些研究人員采用多步法或者溶劑交換，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，而且浪費(fèi)資源。

挑戰(zhàn)不可能，這是科研工作者骨子里的基因。恰好離子液體這種溶劑的“七十二般變化”也讓王美香著迷。

“顧名思義，水凝膠用的溶劑只有一種，就是水，而離子液體凝膠用的溶劑是離子液體，有成千上萬(wàn)種，這正是它的魅力所在?！蓖趺老銓?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，離子液體在室溫下是一種液態(tài)的熔融鹽，含有正離子和負(fù)離子，只要熔融鹽里的正負(fù)離子不一樣，就可以實(shí)現(xiàn)離子液體的千變?nèi)f化。

研究選材是從聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的單體開(kāi)始的。

最初，王美香把兩種材料分開(kāi)來(lái)做。當(dāng)把丙烯酰胺溶到離子液體后，產(chǎn)生的凝膠跟她預(yù)想的完全不一樣，不透明、發(fā)白，就像曬干的面條一樣特別脆，一碰就斷。隨后她又試了丙烯酸，做出來(lái)的凝膠則超級(jí)軟，透明度達(dá)到百分百。

完全就是兩種極端！這讓她無(wú)比興奮，如果把三者混在一起，會(huì)擦出什么樣的火花呢？

“把丙烯酰胺和丙烯酸溶到離子液體里，再加入引發(fā)劑和交聯(lián)劑，然后混勻，用高功率紫外燈照射，3分鐘就能制作出論文中這種新型混合材料。”王美香說(shuō)，“就是這么簡(jiǎn)單?！?/p>一步法就這樣誕生了。它為離子液體凝膠研究開(kāi)啟了新世界的大門。

為實(shí)驗(yàn)蓄能，把理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

王美香在西安交通大學(xué)讀博期間，一直從事水凝膠研究。她看到離子液體凝膠材料的巨大潛力，便萌生了調(diào)整研究方向的想法。

2018年12月，王美香在西安交通大學(xué)獲得材料科學(xué)與工程博士學(xué)位后，進(jìn)入北卡羅來(lái)納州立大學(xué)Dickey實(shí)驗(yàn)室做博士后，主要致力于高機(jī)械性能凝膠材料的設(shè)計(jì)和制備，研究其在可穿戴柔性電子器件、全固態(tài)電池以及超級(jí)電容器、傳感器和驅(qū)動(dòng)器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

在新的平臺(tái)，王美香順利轉(zhuǎn)換到新賽道，開(kāi)始離子液體凝膠材料研究。但是，她剛進(jìn)入北卡羅來(lái)納州立大學(xué)，新冠疫情就來(lái)了，一下打亂了研究計(jì)劃。

學(xué)校封閉，無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，王美香就利用這段時(shí)間查閱文獻(xiàn)，為實(shí)驗(yàn)蓄能。在家“閉關(guān)”3個(gè)月后，終于等來(lái)復(fù)工的消息，她便一頭扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)里，每天在實(shí)驗(yàn)室待8個(gè)小時(shí)，把實(shí)驗(yàn)過(guò)程中看到的現(xiàn)象記錄下來(lái)，晚上回家查資料分析這些現(xiàn)象的成因。

幸運(yùn)的是，這項(xiàng)工作從始至終都比較順利，這篇論文投給期刊也很快被接收，評(píng)審專家都對(duì)該成果作了很高的評(píng)價(jià)。

“接下來(lái)，我們將進(jìn)行應(yīng)用方面的拓展，把離子液體凝膠與3D打印技術(shù)相結(jié)合，用于開(kāi)發(fā)新型柔性機(jī)器人。”王美香說(shuō)。

參與這項(xiàng)研究的一共有9位作者，其中華人學(xué)者有4位，除了王美香，另外3位分別是論文共同通訊作者、西安交通大學(xué)教授胡建，西安交通大學(xué)碩士生張鵬堯，以及美國(guó)內(nèi)布拉斯加州大學(xué)林肯分校研究助理教授錢文。（記者 張晴丹）

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01195-4

來(lái)源： 中國(guó)科學(xué)報(bào)