一个0.5克的“绳子”可以提起5千克重的物体你会相信吗？但这真的被实现了，这种材料是科研人员最新研发出的一种力学性能惊人的新材料，它不但具有很好的拉伸性能，拉伸长度达600%，还非常坚韧。

近日，美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份在《自然—材料》发表论文，介绍了这款新材料。它是一种离子液体凝胶，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。

离子液体凝胶的分类

当分散介质为有机溶剂时，凝胶成为有机凝胶；在水中制备的凝胶称为水凝胶；利用油为分散介质的凝胶称为油凝胶；而以离子液体为分散介质的凝胶则称为离子液体凝胶.

离子液体凝胶的种类较多，大致可被分为 物理型和 化学型两个大类。

物理型离子液体凝胶是指凝胶内部的三维网状结构是通过较弱的非共价相互作用（如氢键、疏溶剂相互作用等）交联而成的，他的构成成分可以是有机凝胶因子（低分子量的小分子或聚合物），也可以是无机物（如煅制的氧化硅颗粒、碳纳米管等），而 化学型离子液体凝胶是由各组分通过共价相互作用交联而成的。研究人员根据凝胶中组分的不同对离子液体凝胶进行了较为详细的分类。

相比于水凝胶，离子液体凝胶具有离子导电、不挥发、热化学稳定、工作温度范围大以及电化学窗口宽等优点，因此在可穿戴电子设备、能量存储设备、驱动器和传感器等柔性电子领域取得了广泛的应用。然而，目前大多数离子液体凝胶的力学性能普遍较差（强度<1 MPa、韧性<1 kJ/m2和模量<1 MPa），严重限制了其在更广泛应用场景下的使用。例如，高模量高强韧的离子液体凝胶可以作为锂离子电池中的聚合物电解质隔膜，通过抑制锂枝晶的生长和抵抗外部冲击来缓解短路等安全问题。为此，人们基于双网络、点击化学等设计原理开发了一系列新型离子液体凝胶，但仍存在性能提升有限、材料体系复杂以及制备工艺繁琐等问题。

超高力学性能离子液体凝胶材料

近日，美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上发表论文，介绍了这款新材料。它属于离子液体凝胶的一种，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。

1+1≥10，凝胶界的“佼佼者”

“通常凝胶的机械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶，这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey教授介绍道。

此次创造出的离子液体凝胶含有超过60%的离子液体，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺两种物质，前者是用于婴儿尿不湿吸水的主要材料，后者是用于隐形眼镜的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸离子液体凝胶的优点，实现了1+1≥10的效果。

王美香介绍，新材料透明度达90%以上，其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能，可拉伸且非常坚韧。拉伸的长度能达600%，模量有约50个兆帕，断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。

论文中展示的是，用0.2克离子液体凝胶材料轻松提起1千克重量的物体。事实上提起5千克也不在话下，但因实验室没有5千克的标准件，他们后来用5千克的水桶做了实验，材料本身没有任何破损。

可穿戴柔性电子器件是当下科研热门之一，对材料的要求极高，要同时满足可弯折、扭曲、拉伸等需求。以往用得较多的是传统柔性材料——水凝胶，但水凝胶的稳定性是个大问题，长期暴露在空气中会导致水分蒸发、性能受损。

“离子液体凝胶完全可以替代水凝胶在可穿戴柔性电子器件上的应用。首先它很稳定，不挥发，不需要任何包覆；其次具有高导电性，不需要额外添加导电介质；可穿戴设备往往需要大变形，离子液体凝胶还可以用来开发应变传感器。”王美香说，“还有一点，它具有自愈合和形状记忆的特性。”

一步法轻松做成

长期以来，在凝胶材料领域最火的非水凝胶莫属。实际上，水凝胶在生活中已相当常见。比如，隐形眼镜、果冻、龟苓膏等都是水凝胶的“产物”。

自62年前水凝胶横空出世，科研人员便努力挖掘其力学性能，涌现了无数重大成果。但同为凝胶材料，离子液体凝胶领域的研究则发展较慢，例如力学性能研究还是一块空白，很难达到与高强度水凝胶相媲美的程度。

在这篇论文发表之前，合成高强度离子液体凝胶并不容易。为了提高材料的力学性能，一些研究人员采用多步法或者溶剂交换，整个过程耗时长、成本高，而且浪费资源。

挑战不可能，这是科研工作者骨子里的基因。恰好离子液体这种溶剂的“七十二般变化”也让王美香着迷。

“顾名思义，水凝胶用的溶剂只有一种，就是水，而离子液体凝胶用的溶剂是离子液体，有成千上万种，这正是它的魅力所在。”王美香对《中国科学报》说，离子液体在室温下是一种液态的熔融盐，含有正离子和负离子，只要熔融盐里的正负离子不一样，就可以实现离子液体的千变万化。

研究选材是从聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的单体开始的。

最初，王美香把两种材料分开来做。当把丙烯酰胺溶到离子液体后，产生的凝胶跟她预想的完全不一样，不透明、发白，就像晒干的面条一样特别脆，一碰就断。随后她又试了丙烯酸，做出来的凝胶则超级软，透明度达到百分百。

完全就是两种极端！这让她无比兴奋，如果把三者混在一起，会擦出什么样的火花呢？

“把丙烯酰胺和丙烯酸溶到离子液体里，再加入引发剂和交联剂，然后混匀，用高功率紫外灯照射，3分钟就能制作出论文中这种新型混合材料。”王美香说，“就是这么简单。”

一步法就这样诞生了。它为离子液体凝胶研究开启了新世界的大门。

为实验蓄能，把理论变为现实

王美香在西安交通大学读博期间，一直从事水凝胶研究。她看到离子液体凝胶材料的巨大潜力，便萌生了调整研究方向的想法。

2018年12月，王美香在西安交通大学获得材料科学与工程博士学位后，进入北卡罗来纳州立大学Dickey实验室做博士后，主要致力于高机械性能凝胶材料的设计和制备，研究其在可穿戴柔性电子器件、全固态电池以及超级电容器、传感器和驱动器等领域的应用。

在新的平台，王美香顺利转换到新赛道，开始离子液体凝胶材料研究。但是，她刚进入北卡罗来纳州立大学，新冠疫 情就来了，一下打乱了研究计划。

学校封闭，无法进入实验室，王美香就利用这段时间查阅文献，为实验蓄能。在家“闭关”3个月后，终于等来复工的消息，她便一头扎进实验里，每天在实验室待8个小时，把实验过程中看到的现象记录下来，晚上回家查资料分析这些现象的成因。

幸运的是，这项工作从始至终都比较顺利，这篇论文投给期刊也很快被接收，评审专家都对该成果作了很高的评价。

“接下来，我们将进行应用方面的拓展，把离子液体凝胶与3D打印技术相结合，用于开发新型柔性机器人。”王美香说。

行业其他学者对新材料的评价

参与这项研究的一共有9位作者，其中华人学者有4位，除了王美香，另外3位分别是论文共同通讯作者、西安交通大学教授胡建，西安交通大学硕士生张鹏尧，以及美国内布拉斯加州大学林肯分校研究助理教授钱文。

论文评审专家之一、麻省理工学院机械工程系赵选贺教授认为：“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能，而且最大的亮点是制作简单，易于使用。”据悉，该论文仅经历一轮审稿即被 Nature Materials 顺利接收，且三位审稿人都表示，“采用普通的原料和简单的一步法共聚制备方法，获得了力学性能十分突出的离子液体凝胶。提出的原位相分离设计原理具有通用性，有望引起软电子和软机器领域研究人员的广泛兴趣。”

此外，韩国首尔国立大学化学与生物工程学院金大贤（Dae-Hyeong Kim）教授专门针对该研究在 Nature Materials 同期撰写了 News & Views 评论文章。他表示，“研究人员提出了一种合成高强韧离子液体凝胶的简单方法，这对于软材料领域毫无疑问是一个重大贡献。而且，高强韧离子液体凝胶和其它纳米材料的结合有可能为软电子等诸多应用提供新机遇，这些高强韧软材料的潜在用途是无限的。”

文章来源： 中国科学报，科学网，DT新材料