“超能”新材料1+1≥10

張晴丹

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

近日，美國北卡羅來納州立大學Dickey實驗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錄，也展現(xiàn)出比水凝膠更廣闊的應用前景。

評審專家之一、美國麻省理工學院教授趙選賀認為，“這些透明的離子液體凝膠具有非常堅韌的機械性能，最大的亮點是制作簡單、易于使用?！?/p>

“通常凝膠的機械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人體內的軟骨。一些研究人員一直在努力制造堅韌的凝膠，這啟發(fā)了我們?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、北卡羅來納州立大學Dickey實驗室負責人Michael D. Dickey教授告說。

此次創(chuàng)造出的離子液體凝膠含有超過60%的離子液體，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺兩種物質，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，實現(xiàn)了1+1≥10的效果。

王美香介紹，新材料透明度達90%以上，其內部的聚合物網絡微結構使凝膠擁有極高的力學性能，可拉伸且非常堅韌。拉伸的長度能達600%，模量有約50個兆帕，斷裂強度約有13個兆帕。這是目前離子液體凝膠界的最高紀錄。

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。事實上提起5千克也不在話下，但因實驗室沒有5千克的標準件，他們后來用5千克的水桶做了實驗，材料本身沒有任何破損。

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

可穿戴柔性電子器件是當下科研熱門之一，對材料的要求極高，要同時滿足可彎折、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)定性是個大問題，長期暴露在空氣中會導致水分蒸發(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;其次具有高導電性，不需要額外添加導電介質;可穿戴設備往往需要大變形，離子液體凝膠還可以用來開發(fā)應變傳感器。”王美香說，“還有一點，它具有自愈合和形狀記憶的特性?！?/p>

長期以來，在凝膠材料領域最火的非水凝膠莫屬。實際上，水凝膠在生活中已相當常見。比如，隱形眼鏡、果凍、龜苓膏等都是水凝膠的“產物”。

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

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

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，有成千上萬種，這正是它的魅力所在?！蓖趺老阏f，離子液體在室溫下是一種液態(tài)的熔融鹽，含有正離子和負離子，只要熔融鹽里的正負離子不一樣，就可以實現(xiàn)離子液體的千變萬化。

研究選材是從聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的單體開始的。

最初，王美香把兩種材料分開來做。當把丙烯酰胺溶到離子液體后，產生的凝膠跟她預想的完全不一樣，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，做出來的凝膠則超級軟，透明度達到百分百。

完全就是兩種極端！這讓她無比興奮，如果把三者混在一起，會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?！蓖趺老阏f，“就是這么簡單?！?/p>

一步法就這樣誕生了。它為離子液體凝膠研究開啟了新世界的大門。

王美香在西安交通大學讀博期間，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，便萌生了調整研究方向的想法。

2018年12月，王美香在西安交通大學獲得材料科學與工程博士學位后，進入北卡羅來納州立大學Dickey實驗室做博士后，主要致力于高機械性能凝膠材料的設計和制備，研究其在可穿戴柔性電子器件、全固態(tài)電池以及超級電容器、傳感器和驅動器等領域的應用。

在新的平臺，王美香順利轉換到新賽道，開始離子液體凝膠材料研究。但是，她剛進入北卡羅來納州立大學，新冠疫情就來了，一下打亂了研究計劃。

學校封閉，無法進入實驗室，王美香就利用這段時間查閱文獻，為實驗蓄能。在家“閉關”3個月后，終于等來復工的消息，她便一頭扎進實驗里，每天在實驗室待8個小時，把實驗過程中看到的現(xiàn)象記錄下來，晚上回家查資料分析這些現(xiàn)象的成因。

幸運的是，這項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，評審專家都對該成果作了很高的評價。

“接下來，我們將進行應用方面的拓展，把離子液體凝膠與3D打印技術相結合，用于開發(fā)新型柔性機器人?！蓖趺老阏f。

參與這項研究的一共有9位作者，其中華人學者有4位，除了王美香，另外3位分別是論文共同通訊作者、西安交通大學教授胡建，西安交通大學碩士生張鵬堯，以及美國內布拉斯加州大學林肯分校研究助理教授錢文。