原位相分離設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)高力學(xué)性能離子液體凝膠

離子液體凝膠是一種擁有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的軟材料，具備優(yōu)異的離子導(dǎo)電性、不揮發(fā)性、熱化學(xué)穩(wěn)定性以及較寬的電化學(xué)窗口，可用于柔性電子領(lǐng)域，如可穿戴電子設(shè)備、能量存儲(chǔ)設(shè)備和驅(qū)動(dòng)器等。

然而，現(xiàn)有的大部分離子液體凝膠力學(xué)性能較差，強(qiáng)度、韌性和模量都很低，為此而開發(fā)的離子液體凝膠又有材料體系復(fù)雜、制備工藝繁瑣和性能提升有限等不足，導(dǎo)致該材料無(wú)法被廣泛應(yīng)用。

近日，西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院胡建教授團(tuán)隊(duì)與北卡羅來(lái)納州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程學(xué)院邁克爾·迪基教授團(tuán)隊(duì)合作，首次報(bào)告了一種“原位相分離通用設(shè)計(jì)原理”，結(jié)合一步法使兩種溶解度不同的聚合物在離子液體中原位形成“雙連續(xù)相分離結(jié)構(gòu)”，從而實(shí)現(xiàn)了一種在強(qiáng)度、韌性、模量上同時(shí)獲得數(shù)量級(jí)提升且兼具“自恢復(fù)、自愈合、形狀記憶、抗溶脹和可3D打印”等功能的新型離子液體凝膠。

相關(guān)論文

論文評(píng)審專家之一、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系趙選賀教授認(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，而且最大的亮點(diǎn)是制作簡(jiǎn)單，易于使用。”

相關(guān)論文以《基于原位相分離法制備高強(qiáng)韌可拉伸的離子液體凝膠》為題發(fā)表。

據(jù)悉，該論文僅經(jīng)歷一輪審稿即被《自然·材料》順利接收，且3位審稿人都表示，“采用普通的原料和簡(jiǎn)單的一步法共聚制備方法，獲得了力學(xué)性能十分突出的離子液體凝膠。提出的原位相分離設(shè)計(jì)原理具有通用性，有望引起軟電子和軟機(jī)器領(lǐng)域研究人員的廣泛興趣。”

此外，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院金大賢教授專門針對(duì)該研究在《自然·材料》同期撰寫了News&Views評(píng)論文章。他表示，“研究人員提出了一種合成高強(qiáng)韌離子液體凝膠的簡(jiǎn)單方法，這對(duì)于軟材料領(lǐng)域毫無(wú)疑問(wèn)是一個(gè)重大貢獻(xiàn)。而且，高強(qiáng)韌離子液體凝膠和其它納米材料的結(jié)合有可能為軟電子等諸多應(yīng)用提供新機(jī)遇，這些高強(qiáng)韌軟材料的潛在用途是無(wú)限的。”

據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)最初只是想針對(duì)前期一個(gè)普通離子液體凝膠材料體系的力學(xué)性能做配方優(yōu)化。在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后，研究人員得到了一種力學(xué)性能有大幅提升的離子液體凝膠。當(dāng)時(shí)，他們只單純將力學(xué)性能的提升歸因于內(nèi)部氫鍵交聯(lián)密度的增加。

之后，去往北卡州立大學(xué)從事博士后研究的王美香希望能夠針對(duì)這個(gè)課題繼續(xù)進(jìn)行深入研究，而胡建和邁克·迪基都對(duì)此表達(dá)了濃厚的合作興趣。研究期間，王美香運(yùn)用SEM和AFM-IR兩種顯微鏡拍攝到了該離子液體凝膠清晰的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)照片。

接著，研究者意識(shí)到，這種無(wú)規(guī)共聚離子液體凝膠的反常力學(xué)性能或許源于其原位生成的雙連續(xù)相分離結(jié)構(gòu)。胡建表示，對(duì)于離子液體共聚凝膠的增強(qiáng)增韌原理，他思考了大概一年多的時(shí)間，始終無(wú)法自圓其說(shuō)對(duì)各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋。

離子液體凝膠的微觀結(jié)構(gòu)示意圖

直到看到離子液體凝膠的微結(jié)構(gòu)照片，才恍然大悟，然后推翻了之前各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)想，凝練出軟硬相互穿的雙連續(xù)相分離結(jié)構(gòu)，最終成功揭示了離子液體共聚凝膠高力學(xué)性能和多功能性的工作機(jī)制。

此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)敏銳地發(fā)現(xiàn)，共聚組分的摩爾分?jǐn)?shù)（x）的細(xì)微變化對(duì)離子液體共聚凝膠材料的光學(xué)和力學(xué)性能有很大的影響。通過(guò)多次細(xì)致的實(shí)驗(yàn)迭代，他們確定x=0.8125時(shí)凝膠材料從結(jié)構(gòu)到性能都會(huì)發(fā)生明顯的突變，這為其從微結(jié)構(gòu)角度去揭示材料的反常力學(xué)性能提供了一個(gè)突破口。

離子液體凝膠的自恢復(fù)、自愈合和形狀記憶功能

最終，研究人員順利開發(fā)出了12.6MPa強(qiáng)度、24kJ/m2韌性、46.5MPa模量及600%可拉伸性的離子液體凝膠，該凝膠還同時(shí)集成了多種實(shí)用功能。

在該成果的應(yīng)用方面，胡建稱，結(jié)合離子液體自身的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，該成果或在運(yùn)動(dòng)器材、汽車防撞、防爆抗彈領(lǐng)域以及軟電子和軟機(jī)器相關(guān)領(lǐng)域有廣闊的前景。

離子液體凝膠的照片、力學(xué)性能演示和SEM圖

另外，原位相分離的設(shè)計(jì)原理具有通用性，可拓展至水凝膠和彈性體的其它軟材料體系。正如水凝膠的發(fā)展歷史一樣，離子液體凝膠力學(xué)性能的解決將有助于拓展其在各種高力學(xué)承載場(chǎng)景下的應(yīng)用，如固態(tài)電池的聚電解質(zhì)隔膜、極端環(huán)境下的傳感器和驅(qū)動(dòng)器等。后續(xù)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃針對(duì)這些研究方向開展進(jìn)一步的工作。

胡建

胡建稱，該研究工作歷時(shí)3年，關(guān)于原位相分離的核心貢獻(xiàn)并非是提前設(shè)計(jì)，而是具有一定的偶然性，這種情況在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域經(jīng)常發(fā)生。而極致簡(jiǎn)單的制備方法以及普適通用的設(shè)計(jì)原理，或許正是這項(xiàng)研究工作產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)影響力的內(nèi)生動(dòng)力源泉。