自然界中的生物体能够通过结构的可逆调控实现环境自适应的力学调节，这类“力学开关”机制为智能材料设计提供了灵感，但如何在人工材料体系中实现类似的可逆韧-刚切换仍是巨大挑战。针对此关键问题，不列颠哥伦比亚大学姜锋教授和中国林科院林化所刘鹤研究员通过纤维素调控离子液体结晶，在常见的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐体系中实现了室温可逆结晶，构筑出兼具高韧性-高刚度可切换的离子凝胶（图1）。

  该研究以题为“Cellulose-mediated ionic liquid crystallization enables tough-stiff switchable ionogels”发表在期刊Nature Communications。该工作由中国林科院林化所和不列颠哥伦比亚大学合作完成，王思恒博士（现已入职北京林业大学材料学院）为论文第一作者。

图1 韧-刚可切换离子凝胶的设计与结构特征

  研究发现，纤维素在[BMIM]Cl中可作为“化学调节剂”，其羟基与聚合物链段形成竞争性氢键，促进阳离子与阴离子的有序配对结晶，使凝胶可在室温下由柔韧态（Cel gel）转变为刚性态（Crystal-Cel gel），并在加热至约55 °C时再次熔融回复，实现稳定可逆的力学切换（图2）。

图2 韧-刚可切换离子凝胶的微结构和相互作用分析

  结晶后凝胶内部形成纳米晶域，纤维素的引入有效促进了离子液体的有序堆叠。柔韧态凝胶具有2.2 MPa的拉伸强度、1561%的断裂应变和25.7 MJ m^?3的韧性（图3）；结晶后的凝胶拉伸模量提升至134.6 MPa，压缩模量达48.9 MPa，可承受自重约13,000倍的载荷，并能在多次循环中保持稳定切换（图4）。同时，该凝胶具备优异的形状编程与快速恢复能力，可在25 °C下固定形状，在60 °C下9分钟内完全恢复，恢复率超过89%，连续循环仍保持稳定（图5）。这种基于离子液体结晶的可逆力学调控，为智能、可编程、可持续的软物质设计提供了新思路。

图3离子凝胶的断裂韧性

图4 离子凝胶的机械刚性

图5 离子凝胶的可编程变形-恢复性

  基于纤维素凝胶的强韧化和功能化机制研究已经发表了一系列工作，包括力学强韧化凝胶[Nat. Commun. 16, 9007 (2025); Nat. Commun. 13, 3408 (2022); Adv. Mater. 37, 2416916 (2025); The Innov. Mater. 2, 100092 (2024); Aggregate 5, e643 (2024); Research 7, 0298 (2024); Mater. Horiz. 12, 1878-1890 (2025); Adv. Mater. 36, 2400084 (2024); Mater. Today 74, 67-76 (2024); Adv. Funct. Mater. 34, 2315184 (2024)]，粘附性凝胶[The Innov. Mater. 1, 100040 (2023); Nat. Commun. 15, 3859 (2024); Chem. Eng. J. 492, 152290 (2024); ACS Nano 17, 13948-13960 (2023); Mater. Horiz. 10, 2271-2280 (2023)]。

  原文链接：https://orcid.org/0000-0003-1326-0656