聚合物凝膠材料在軟體驅(qū)動(dòng)器、電子皮膚等許多新興領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。低遲滯特性有利于聚合物凝膠材料在循環(huán)載荷的應(yīng)用中維持較長的使用壽命。實(shí)際上，通過共價(jià)交聯(lián)的方法可以在小應(yīng)變下賦予聚合物凝膠材料低遲滯性能，但固定交聯(lián)點(diǎn)的存在也會(huì)一定程度上影響應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致較弱的韌性和抗疲勞性能。為了解決這些問題，在聚合物網(wǎng)絡(luò)中引入超分子相互作用（包括非共價(jià)相互作用和動(dòng)態(tài)共價(jià)相互作用）得到了較大的關(guān)注。盡管這類超分子策略很大的改善了抗疲勞性能，但也帶來了明顯的殘余應(yīng)變和遲滯。因此，設(shè)計(jì)兼具低遲滯和高韌性的聚合物凝膠材料，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
為了獲得低遲滯特性，聚合物凝膠材料一方面要提升儲能模量，另一方面也要減少或消除能量耗散。在最近的報(bào)道中，通過在聚合物網(wǎng)絡(luò)中引入高彈或者滑環(huán)交聯(lián)劑、仿織物的纏結(jié)或者納米限域的方法可以很大的提升彈性并有利于應(yīng)力的轉(zhuǎn)移。再者，通過溶劑充分溶脹凝膠材料，可以很大程度的消除聚合物分子鏈的摩擦以及隨之而來的能量耗散。為了進(jìn)一步提升韌性和減少應(yīng)力集中，可以在聚合物拓?fù)渲幸敫嗟奈锢砝p結(jié)。然而，這類策略并不適合于制備低遲滯離子凝膠材料。主要的挑戰(zhàn)在于離子液體（IL）通常具有較高的粘度，其會(huì)大大增加離子凝膠的鏈摩擦，并在變形過程中耗散大量的能量，不利于離子凝膠材料實(shí)現(xiàn)低遲滯特性。
圖一. 基于四重氫鍵的低遲滯、高韌性超分子聚合物離子凝膠
其次，作者詳細(xì)的探討了PAU-2的低遲滯性能（圖三）。PAU-2在不同應(yīng)變下都可以保持較好的低遲滯特性。同時(shí)，離子液體和聚合物的含量對遲滯性能也有明顯的影響。此外，PAU-2在不同應(yīng)變速度下都展現(xiàn)了相同的低遲滯特性，表明了拉伸速率遠(yuǎn)小于網(wǎng)絡(luò)中π-π堆疊重組的速率。更吸引人的是PAU-2可以在5000次循環(huán)條件下維持低遲滯特性。
此外，作者通過流變儀、低場核磁、原子力顯微鏡和二維紅外等探究了PAU-2低遲滯特性的分子機(jī)制（圖四）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在應(yīng)變條件下，這些自組裝納米聚集體的π-π堆疊易解離并可迅速重新結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)低能量耗散的應(yīng)力轉(zhuǎn)移。另一方面這些超分子納米聚集體可以像化學(xué)交聯(lián)劑一樣有效地固定聚合物鏈段以提高彈性。因此，離子凝膠中的自組裝納米聚集體在兩個(gè)方面協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了低滯后特性。
最后，作者探究了PAU-2的抗疲勞性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PAU-2在有缺口的狀態(tài)下仍然可以循環(huán)使用5000次以上，并可以維持低遲滯性能（圖五）。偏光顯微鏡結(jié)果表明PAU-2中的缺口不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗缺口性能。此外，作者通過替換離子液體和單體，證明了該超分子策略的普適性（圖五）。由于力學(xué)的低遲滯特性，PAU-2也展現(xiàn)了較好的電學(xué)低遲滯特性。進(jìn)一步作者將PAU-2用于軟體驅(qū)動(dòng)器的傳感，證明了其應(yīng)用前景。
圖五. 抗疲勞性能表征和普適性探究
以上研究成果近期以“Low-Hysteresis and Tough Ionogels via Low-Energy-Dissipating Cross-Linking”為題，發(fā)表在《Advanced Materials》上。東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院碩士研究生孫彬為文章第一作者，青年教師劉凱博士為共同第一作者和共同通訊作者，孫勝童研究員和武培怡教授為論文的共同通訊作者。
全文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408826
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