柔性離子導(dǎo)體，如離子凝膠和水凝膠，由于其可拉伸性和良好的電學(xué)性能，在智能機(jī)器人和可穿戴設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用。然而，由于能量耗散區(qū)域較小，目前的凝膠材料仍然存在低斷裂韌性（< 10 kJ m-2）、低強(qiáng)度（< 1 MPa）和低模量（< 0.1 MPa）等問題，難以承受高載荷和抵抗裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致其可靠性和耐久性下降。
近日，福州大學(xué)鄒志剛院士團(tuán)隊(duì)呂曉林副教授在《Nature Communications》上發(fā)表文章《Tough fiber-reinforced composite ionogels with crack resistance surpassing metals》，報(bào)道了一種界面互鎖策略，通過在離子凝膠中引入高性能纖維，利用超分子網(wǎng)絡(luò)使兩者實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，來制備纖維增強(qiáng)復(fù)合離子凝膠（FRCI）（圖1）。由于緊密的界面互鎖，FRCI在變形時(shí)可以通過離子凝膠的剪切變形有效分散應(yīng)力，從而形成較大的能量耗散區(qū)域。同時(shí)，通過離子凝膠內(nèi)部超分子網(wǎng)絡(luò)的解離和纖維的斷裂可以耗散大量能量以抵抗裂紋擴(kuò)展，從而使FRCI具有高韌性、高強(qiáng)度、高彈性模量和低彎曲模量。而且，FRCI的韌性和抗裂性甚至可以超過金屬和合金。結(jié)合其良好的導(dǎo)電性，在智能仿生韌帶、智能防護(hù)裝備中具有應(yīng)用潛力。
圖1. FRCI的結(jié)構(gòu)示意圖和抗裂能力圖片展示
如圖2和3所示，纖維和離子凝膠之間的緊密結(jié)合使其在變形時(shí)可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分散，而不會(huì)發(fā)生脫附。因此，相比于離子凝膠和纖維織物，FRCI在保持低彎曲模量的同時(shí)，具有顯著增強(qiáng)的力學(xué)性能。同時(shí)，通過褲型撕裂測試發(fā)現(xiàn)，FRCI的撕裂韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過離子凝膠和纖維織物，甚至超過兩者的乘積。而且，相比于常規(guī)凝膠材料，FRCI具有顯著增大的能量耗散區(qū)域。
圖2. FRCI的增韌機(jī)理
圖3. FRCI的力學(xué)性能
結(jié)合其良好的電導(dǎo)率，FRCI可以作為智能仿生韌帶，在有效固定人工骨的同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測（圖4）。
圖4. FRCI的電學(xué)性能
此外，通過界面互鎖策略，利用纖維實(shí)現(xiàn)離子凝膠增韌的策略具有普適性（圖5）。因此，通過對離子凝膠所使用的單體結(jié)構(gòu)、離子液體類型以及纖維的種類、編織方式進(jìn)行調(diào)控，可以得到不同的高強(qiáng)韌復(fù)合離子凝膠。
圖5. FRCI的普適性
福州大學(xué)呂曉林副教授為本論文的第一作者和通訊作者，共同通訊作者包括南京大學(xué)鄒志剛院士和福建協(xié)和周飄飄。該工作還得到了北京大學(xué)沈志豪教授的指導(dǎo)和幫助，以及國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、福建省光電信息科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等基金項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59396-9
