四川大学受海胆启发！“超分子增强硬相”离子凝胶，实现卓越机械强度与损伤容限！

离子凝胶凭借离子液体（ILs）的宽温适应性、近零挥发性及高离子导电性，在柔性传感、冲击防护等领域极具潜力。然而，传统离子凝胶因过于简化的设计和低效的IL-聚合物相互作用，面临机械强度（<1 MPa）与损伤容限难以兼顾的根本性矛盾——共价交联网络虽提升强度，却牺牲了依赖非共价作用的能量耗散能力。这一缺陷严重限制了其在工程场景的应用。

四川大学郭少云教授、刘桂廷副研究员团队受海胆真皮组织启发，提出“超分子增强硬相”离子凝胶设计新策略。通过协同整合硬-软相分离结构与多尺度牺牲键，该材料实现了49.22 MPa拉伸强度、1721.28%延伸率、424.09 MJ m⁻³韧性及228.74 MJ m⁻³高速冲击韧性，抗撕裂强度达387.02 kJ m⁻²（是纯聚氨酯的59倍），穿刺能量高达1326.8 mJ。该离子凝胶同时具备室温自修复、阻燃（LOI=31.6%）和宽温适应性（-30~150℃），并成功应用于可穿戴传感与损伤精确定位系统。

仿生设计原理与结构表征

研究团队借鉴海胆真皮中胶原纤维的多氢键自组装机制（图1a,b），设计线性聚氨酯（PMI）硬段集成尿素基团、苯环结构，形成结晶域、高密度氢键和π-π堆叠；同时精选含互补氢键位点的IL（[BMIM][BF₄]）强化硬相（图1c）。FTIR光谱证实（图2c-e）：PMI-IL50中氢键化C=O占比达93.23%，有序氢键比例28.67%。分子动力学模拟显示（图2f-h），IL加入使氢键密度提升1.74倍，硬相结合能从469.05增至1109.26 kcal mol⁻¹。

图1 a) 海胆真皮结构响应外界刺激的刚度变化。 b) 海胆胶原纤维的多氢键自组装机制。 c) PMI离子凝胶制备及其超分子结构示意图。

图2 a) PMI及PMI-IL X离子凝胶透明度。 b) PMI-IL50变形状态照片。 c,d) PMI与PMI-IL X离子凝胶的FTIR光谱（3360-1300 cm⁻¹与1780-1620 cm⁻¹波段）。 e) C=O伸缩振动区峰值分峰图谱。 f) PMI-IL50硬相分子尺度平衡态模型。 g,h) PMI与PMI-IL50的氢键相互作用IGMH分析。 i) DSC曲线。

力学性能突破

PMI-IL50（50 wt% IL）在拉伸测试中展现三阶段变形特性（图3a）：屈服后发生应变诱导结晶，真实应力达853.88 MPa（图3d）。其1克样品可举起10公斤重物，3克样品承载90公斤成人（图3e）。原位X射线散射（图3h,i）揭示：应变>300%时分子链高度取向，引发结晶强化与应力白化现象（图3f）。

图3 a) 应力-应变曲线。 b) 韧性与模量对比。 c) 韧性-拉伸强度Ashby图（含文献对比）。 d) 真实应力-应变曲线。 e) PMI-IL50承重演示。 f) 拉伸应变白化现象。 g) 分子链取向示意图。 h,i) 不同应变下2D-SAXS与2D-WAXS图谱。

损伤容限创新高

含1毫米缺口的PMI-IL50样品断裂能达387.02 kJ m⁻²（图4b,c），穿刺实验显示其可抵抗29.37毫米针位移（165.85 N力，图4d）。在20,000 s⁻¹超高应变率下（图4i），冲击韧性达228.74 MJ m⁻³，模量提升102倍。其抗冲击机制源于牺牲键破裂耗能及结晶域锁定分子链（图4g）。

图4 a) 缺口形貌随应变变化。 b,c) 含缺口/无缺口样品应力-应变曲线。 d) 穿刺力-位移曲线。 e) 断裂能/穿刺能与文献对比。 f) 时温叠加曲线。 g) 落球冲击测试。 h) SHPB系统示意图。 i,j) 不同应变率下真实应力-应变曲线及冲击韧性/模量。 k) 2500 s⁻¹应变率冲击强度。

多功能集成

PMI-IL50通过动态氢键网络实现室温自修复：断裂样品接触10分钟初步愈合，12小时后拉伸强度恢复93.1%（图5a,b）。循环拉伸中（图5c），能量耗散效率达86.5%。材料可溶于DMF回收（图5e），但重复加工会导致性能逐渐下降（图5f）。阻燃测试显示其离火自熄（LOI=31.6%）。

图5 a) 自修复机制示意图。 b) 修复时间与力学恢复关系。 c) 循环拉伸曲线。 d) 单次循环耗散能。 e) 溶剂回收流程。 f) 回收样品力学性能。

实时运动监测

离子电导率随IL含量增至6.49×10⁻² S cm⁻¹（图6a），应变响应具备双线性区域：5-25%应变灵敏度（GF=0.86），25-50%应变GF=3.12（图6c）。2000次循环后信号稳定，成功监测手指（图6f）、膝关节（图6k）等多部位活动。

图6 a) 不同温度电导率。 b) 25-80℃电导率循环稳定性。 c) 10-50%应变电阻变化率。 d) 应变响应机制示意图。 e) -30/80℃下1000次循环响应。 f-k) 各关节弯曲实时监测信号。

损伤精确定位系统

基于PMI-IL50构建3×3正交传感矩阵（图7c）。当外部损伤破坏导电通路时，X/Y轴特定通道电阻突变（图7a,b）。通过算法解析多通道信号（图7f），可实时定位损伤位置并无线传输至终端（图7g），实现“感知-防护”一体化。

图7 a,b) 切割/穿刺损伤电阻响应。 c) 损伤感知矩阵结构。 d,e) 物理损伤与矩阵破坏对应示意图。 f) 多通道电信号响应。 g) 智能应急救援系统应用场景。

应用前景

该研究提出的“超分子增强硬相”设计原则，破解了离子凝胶强度与韧性不可兼得的难题。其仿生多级结构协同能量耗散机制、宽温稳定性与损伤自感知能力，为下一代智能防护装备（如集成冲击保护与实时健康监测的智能防护服）提供了材料基础。