离子凝胶因其优异的导电性、电化学稳定性和非挥发性，近年来在柔性电子、软体机器人、防护装备和航空航天等领域展现出广泛的应用潜力。然而，传统离子凝胶普遍存在力学强度低、易断裂等问题，限制了其在极端环境下的可靠性。随着应用场景的日益复杂，特别是在高温、强冲击力和剧烈振动的条件下，增强离子凝胶的机械韧性已成为关键挑战。因此，提高离子凝胶的机械性能以满足高强度、复杂环境下的需求，成为一个亟待解决的技术难题。开发具有高韧性和抗冲击能力的离子凝胶，将为下一代柔性电子和防护装备带来更大的可靠性与安全性。

  鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队通过协同增强策略，成功开发出一种具有高强韧性的PVA离子凝胶。该凝胶结合了原位局部对齐与盐析作用，展现出可调的高强度和韧性。在防穿刺与高速弹道冲击的测试中，表现出卓越的防护性能和能量耗散能力。

  相关成果近日以“In-situ localised alignment assisted salting-out enhanced ionogels with high strength, toughness and impact resistance”为题发表在《Nature Communications》上。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士研究生张镇涛，龚兴龙教授和桑敏特任副研究员为通讯作者。

  研究团队通过原位局部对齐和盐析协同增强策略制备了高强韧的PVA离子凝胶PL-gel。该过程首先通过加热混合乙二醇与聚乙烯醇（PVA），将混合物倒入模具并冷冻形成初步有机凝胶。然后，将凝胶固定在聚氨酯（PU）板上，浸入离子液体进行离子交换，离子液体替代乙二醇，增强PVA链间的疏水性并促进三维超分子相互作用的形成。盐析过程使得分子链在拉伸方向逐渐对齐，最终形成有序的微观结构，从而显著提高凝胶的强度和韧性。最终得到的PL-gel凝胶具有优异的透明度和机械性能，能够承受较大重量而不发生破损。此外，通过红外光谱和XPS分析确认了离子液体的成功引入，X射线散射表征显示了更高的结晶度和有序性。

图1 PL-gel 的制备及其力学性能

  该研究探讨了离子液体对PVA有机凝胶力学性能的强化作用。与传统盐析剂相比，离子液体盐析的PVA离子凝胶展现出更高的韧性、模量、断裂应变和拉伸强度。其拉伸强度可在18.1-62.2 MPa范围内调节，韧性在56.8-123.7 MJ m^-3，模量在18.8-187.8 MPa之间，这表明离子液体与PVA分子链之间的相互作用较强，形成了更加稳定的网络结构。通过调节预拉伸条件和盐析时间，发现预拉伸可显著提高凝胶的抗拉强度，但也限制了其伸长性。

图2 增强 PVA 离子凝胶强度与韧性的设计策略

  通过分子动力学分析，研究了离子液体（ILs）在离子凝胶中的作用。密度泛函理论（DFT）结果表明，ILs之间的相互作用比乙二醇（EG）和PVA之间的相互作用更强，表明ILs的引入能显著增强PVA凝胶网络的稳定性。

图3 分子动力学模拟揭示的 PVA 离子凝胶增强机制

  通过准静态和动态穿刺试验评估了PL-gel的穿刺抗力。结果表明，PL-gel具有更高的穿刺力和穿刺能量。通过低速和高速冲击测试，评估了PL-gel在不同应用场景下的防护性能。在低速冲击中，PL-gel表现出优异的缓冲效果，明显优于传统材料，如EVA泡沫和PP。在高速弹道冲击下，PL-gel实现了18.4 kJ/m的能量耗散，甚至超过Kevlar在相似冲击速度下的表现。

图4 穿刺防护性能

图5 抗冲击与能量耗散性能

  最后，研究人员验证了局部对齐辅助盐析策略在不同分子链和溶剂体系中的普适性与可定制性。将PVA替换为PAAM、溶剂由乙二醇改为水，制备出PAAM-L凝胶。该策略显著增强了凝胶的力学性能，穿刺性能在静态和动态条件下也显著增强，同时赋予凝胶导电等功能，适用于多种场合与多样化应用。

图6 局部对齐辅助盐析策略的普适性和可定制性

  总而言之，该研究展示了原位局部对齐辅助盐析策略在提升离子凝胶力学性能和抗冲击能力方面的有效性。该方法不仅显著增强了凝胶的强度、韧性和穿刺防护性能，还具备良好的普适性和可定制性，可应用于不同聚合物体系和功能化需求，为高性能柔性电子与防护材料的开发提供了新思路。

  原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63148-0