0.2克“繩子”提起5千克重物體

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(xué)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(dá)600%,，還非常堅韌,。  

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

評審專家之一、美國麻省理工學(xué)院教授趙選賀認(rèn)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>

1+1≥10,，凝膠界的“佼佼者”  

“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(nèi)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(xué)Dickey實驗室負(fù)責(zé)人MichaelD.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(zhì),，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(dá)90%以上，其內(nèi)部的聚合物網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)使凝膠擁有極高的力學(xué)性能,，可拉伸且非常堅韌,。拉伸的長度能達(dá)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(jì)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?qū)嶒炇覜]有5千克的標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)電性,。因此，這款離子液體凝膠具有廣闊的應(yīng)用前景,，“可用于電池,、傳感器,、3D打印、驅(qū)動器和柔性電子設(shè)備等”,。Dickey說,。  

可穿戴柔性電子器件是當(dāng)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)電性,，不需要額外添加導(dǎo)電介質(zhì),；可穿戴設(shè)備往往需要大變形，離子液體凝膠還可以用來開發(fā)應(yīng)變傳感器,?！蓖趺老阏f，“還有一點,，它具有自愈合和形狀記憶的特性,。”  

一步法輕松做成  

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

自62年前水凝膠橫空出世，科研人員便努力挖掘其力學(xué)性能,，涌現(xiàn)了無數(shù)重大成果,。但同為凝膠材料，離子液體凝膠領(lǐng)域的研究則發(fā)展較慢，例如力學(xué)性能研究還是一塊空白,，很難達(dá)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(xué)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(fù)離子,，只要熔融鹽里的正負(fù)離子不一樣，就可以實現(xiàn)離子液體的千變?nèi)f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(dāng)把丙烯酰胺溶到離子液體后,，產(chǎn)生的凝膠跟她預(yù)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(dá)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?！?nbsp; 

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。  

為實驗蓄能,，把理論變?yōu)楝F(xiàn)實  

王美香在西安交通大學(xué)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(diào)整研究方向的想法,。  

2018年12月，王美香在西安交通大學(xué)獲得材料科學(xué)與工程博士學(xué)位后,，進(jìn)入北卡羅來納州立大學(xué)Dickey實驗室做博士后,，主要致力于高機械性能凝膠材料的設(shè)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(qū)動器等領(lǐng)域的應(yīng)用。  

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

學(xué)校封閉,，無法進(jìn)入實驗室，王美香就利用這段時間查閱文獻(xiàn),，為實驗蓄能,。在家“閉關(guān)”3個月后，終于等來復(fù)工的消息,，她便一頭扎進(jìn)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(jìn)行應(yīng)用方面的拓展,，把離子液體凝膠與3D打印技術(shù)相結(jié)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(xué)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(xué)教授胡建,，西安交通大學(xué)碩士生張鵬堯,，以及美國內(nèi)布拉斯加州大學(xué)林肯分校研究助理教授錢文。