材料科學：電子設備的未來，強大且自我修復的離子凝膠?

通過在受損表面上重整氫鍵，離子凝膠在室溫下表現出快速的自癒合能力。癒合3小時後離子凝膠的斷裂應力與原始離子凝膠的斷裂應力相當。圖片來源：橫濱國立大學。

橫濱國立大學和日本東京大學的科學家設計了一種離子凝膠，它具有出色的韌性和在環境溫度下自愈的能力，沒有任何外部觸發或環境中可檢測到的變化，如光或溫度。這種新型材料具有構建柔性電子設備的巨大潛力。

離子凝膠由於其獨特的性質而備受關注，包括在室溫下蒸發的低傾向，高熱穩定性和高離子電導率。研究人員展示了一種離子凝膠，可以在室溫下自行快速癒合而不需要任何外部刺激。他們還展示了材料內部多個氫鍵產生的優異韌性。

“在日常使用中，可穿戴電子設備預計會被拉伸和彎曲多次，”橫濱國立大學研究生院的相應作者和JSPS博士後研究員Ryota Tamate說。“如果可穿戴設備中使用的離子凝膠具有自我修復特性，它可以在反覆拉伸和彎曲過程中修復裂縫和損壞，並提高設備的耐用性。”

該研究發表在2018年7月的Advanced Materials上，描述了一種特殊類型的聚合物凝膠，稱為離子凝膠，填充有液體形式的鹽或離子液體。這種離子凝膠是通過組合兩種材料產生的，或“塊” - 一種被離子液體排斥而另一種與氫鍵合。它們一起形成所謂的二嵌段共聚物。液體鹽和二嵌段共聚物材料的組合產生最終的膠束結構，其負責所有材料的所需品質。被離子液體排斥的塊構成核心，而外部由通過多個氫鍵彼此相互作用的鏈組成。

該研究首次證明，在離子凝膠中引入氫鍵可以產生材料的強度以及在室溫下自愈的能力。

“這種離子凝膠的自我修復過程可以在幾個小時內完成，”Tamate說。

“氫鍵是可逆的，因此，它是一種有前景的相互作用，由於它們的可逆性，有助於材料自愈的能力。在這項研究中，通過調整離子液體中聚合物鏈的氫鍵強度，我們利用氫鍵作為離子凝膠的可逆交聯點。此外，我們證明了由二嵌段共聚物材料形成的膠束結構顯著提高了離子凝膠的物理強度和自立能力，“他補充說。

雖然到目前為止已經報道了幾種類型的韌性離子凝膠，但作者寫道，實現自愈能力和高韌性仍然是一個巨大的挑戰。他們還報告說，他們的凝膠的機械和電化學特性與其他未改變或未改變的離子凝膠相似。該材料的自立能力，它可以在室溫下自愈並且易於在溶液中加工，這使其成為柔性電子領域未來應用的有前景的固體電解質 - 特別是創造自我修復的電子產品。

根據Tamate的說法，“對於器件應用，應定量研究各種物理應變條件下離子凝膠的耐久性。此外，由於本發明的二嵌段共聚物傾向於吸收空氣中的水分，我們希望尋求組成的結構之間的其他相互作用多種分子在開放大氣中長時間穩定。此外，由於離子液體的物理性質可以通過選擇陽離子和陰離子進行廣泛調整，因此將研究與不同離子液體的組合。