雪後Sunny
作者 | 张晴丹
你能想象0.2克的“绳子”可以提起5公斤重的物体吗？
没开玩笑，这是科研人员创造出的一种力学性能惊人的新材料。它不但具有很好的拉伸性能，拉伸长度能达600%，而且还非常坚韧。
近日，美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上发表论文，介绍了这款新材料。它属于离子液体凝胶的一种，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。
评审专家之一、麻省理工学院教授赵选贺认为，“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能，而且最大的亮点是制作简单，易于使用。”
1+1 10，凝胶界的“佼佼者”
“通常凝胶的机械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶，这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey告诉《中国科学报》。
此次创造出的离子液体凝胶含有超过60%的离子液体，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺两种物质，前者是用于婴儿尿不湿吸水的主要材料，后者是用于隐形眼镜的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸离子液体凝胶的优点，实现了1+1 10的效果。
王美香介绍，新材料透明度达90%以上，其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能，可拉伸而且非常坚韧。拉伸的长度能达600%，模量有约50个兆帕，断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。
论文中展示的是用0.2克的离子液体凝胶材料，轻松提起1公斤重量的物体。事实上提起5公斤的重量也不在话下，但因实验室没有5公斤的标准件，他们后来用5公斤的水桶做了实验，材料本身不会有任何破损。
离子液体这个溶剂本身不挥发，且具有很高的热稳定性和导电性。因此，创造出的这款离子液体凝胶具有广阔的应用前景。“可用于电池、传感器、3D打印、致动器和柔性电子设备等。”Michael D. Dickey说。
可穿戴柔性电子器件是当下科学研究的热门之一，要同时满足可弯折、扭曲、拉伸等需求，所以对材料的要求极高。以往做展示用的较多的是传统柔性材料——水凝胶，但水凝胶稳定性是个大问题，长期暴露在空气中会导致水分蒸发、性能受损。
“离子液体凝胶完全可以替代水凝胶在可穿戴柔性电子器件上的应用。首先它很稳定不挥发，不需要任何包覆；其次具有高导电性，不需要额外添加导电介质；可穿戴设备往往需要大变形，离子液体凝胶还可以用来开发应变传感器。”王美香说，“还有一点，它具有自愈合和形状记忆的特性。”
一步法轻松做成
长期以来，在凝胶材料领域最火的，非水凝胶莫属。
实际上，水凝胶在生活中已相当常见。比如，隐形眼镜、果冻、龟苓膏等都是水凝胶的“产物”。自62年前水凝胶横空出世，科研人员便绞尽脑汁地挖掘其力学性能，涌现了无数重大成果。
但同为凝胶材料，离子液体凝胶领域的研究则发展较慢。例如力学性能研究还是一块空白，很难把它的力学性能做到与高强度水凝胶相媲美的程度。
在这篇论文发表之前，合成高强度离子液体凝胶的方法并不易。为了提高材料的力学性能，一些研究人员采用多步法或者溶剂交换，整个过程耗时长、成本高，而且浪费资源。
挑战不可能，这是科研工作者骨子里的基因，恰好离子液体这个溶剂的“72般变化”也让王美香着迷。
“顾名思义，水凝胶用的溶剂只有一种，就是水，而离子液体凝胶用的溶剂是离子液体，有成千上万种，这正是它的魅力所在。”王美香对《中国科学报》说。离子液体在室温下是一种液态的熔融盐，里面含有正离子和负离子，只要熔融盐里的正负离子不一样，就可以实现离子液体的千变万化。
研究选材是从聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的单体开始。
最初，王美香把两种材料分开来做。当把丙烯酰胺融到离子液体后，产生的凝胶跟她预想的完全不一样，不透明、发白，就像晒干的面条一样特别脆，一碰就断。随后她又试了丙烯酸，做出来的凝胶则超级软，透明度达到百分百。
完全就是两种极端！这让她无比兴奋，如果把三者混在一起，会擦出什么样的火花呢？
“把丙烯酰胺和丙烯酸融到离子液体里，再加入引发剂和交联剂，然后混匀，用高功率紫外灯照射，3分钟就能制作出论文中这种新型混合材料。”王美香说，“就是这么简单。”
一步法就这样诞生了！它为离子液体凝胶研究开启了新世界的大门。
为实验蓄能，把理论变为现实
王美香在西安交通大学读博期间，就一直从事水凝胶研究。但她看到了离子液体凝胶材料的巨大潜力，因此萌生了调整研究方向的想法。
2018年12月，王美香从西安交通大学获得材料科学与工程博士学位后，进入北卡罗来纳州立大学Dickey实验室做博士后，主要致力于高机械性能凝胶材料的设计和制备，以及研究其在可穿戴柔性电子器件、全固态电池以及超级电容器、传感器和驱动器等领域的应用。
在新的平台，王美香也顺利转换到新赛道，开始离子液体凝胶材料研究。
但是，王美香刚进入北卡罗来纳州立大学，新冠疫情就来了，一下打乱了研究计划，学校封闭，无法进入实验室。
她便利用这段时间查阅文献，为实验蓄能。在家“闭关”三个月后，终于等来复工的消息。王美香便一头扎进实验里，每天在实验室待八个小时，把实验过程中看到的现象记录下来，晚上回家查资料来分析这些现象的成因。
幸运的是，这项工作从始至终都比较顺利，这篇论文投给期刊也很快被接收。并且，评审专家都对该成果给了很高的评价。
“接下来，我们将会做应用方面的拓展，想把离子液体凝胶与3D打印技术相结合，用于开发新型柔性机器人。”王美香说。
参与这项研究的一共有9位作者，其中华人学者就有4位。除了王美香，另外3位分别是论文共同通讯作者、西安交通大学教授胡建，西安交通大学硕士生张鹏尧，以及美国内布拉斯加州大学林肯分校研究助理教授钱文。
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张志宇毕业于美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology），简称MIT。麻省理工学院是位于美国马萨诸塞州剑桥市的一所世界知名、私立研究型大学，是美国高等教育领域最重要的研究机构之一，被誉为“世界科学技术领域的殿堂”。麻省理工学院的校友和教授中共获得了多项诺贝尔奖和美国国家科学院院士，赢得了极高的国际声望。麻省理工学院与哈佛大学、耶鲁大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校和斯克里普斯研究所等共同组成了“美国六大名校”，在全球大学排名中名列前茅。
好好在一起吧
张志宇毕业于麻省理工学院，并在之后加入了斯坦福大学的计算机科学博士课程。在麻省理工学院，张志宇主修计算机科学专业，并在该校获得了计算机科学学士学位和硕士学位。期间，他曾参与过多个计算机科学领域的研究项目，拥有丰富的科研经验和扎实的技术功底。在该校期间，他还担任了多个社团和组织的领导职务。随后，张志宇进入了斯坦福大学计算机科学博士课程学习，他的博士论文题目为“Graph Processing on GPUs”，主要研究方向是图处理算法及其在GPU上的优化实现。在斯坦福大学，他继续深入研究计算机科学领域，并发表了多篇论文，其中包括在顶级国际会议SIGMOD和VLDB上发表的论文。张志宇通过在麻省理工学院和斯坦福大学的学习和研究，不仅积累了丰富的知识和经验，同时也建立了广泛的人脉，为他的未来发展奠定了坚实的基础。
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美国麻省理工学院的化学工程师使用一种创新的聚合工艺，开发出了一种比钢更坚固、重量却轻如塑料的新材料，并且这种材料易于大批量制造。
这种新型材料是一种二维聚合物，可以自组合成薄片。与其他所有聚合物不同，一般聚合物往往只能聚合形成一维的、像意大利面一样的长链状，截至目前，科学家们一直认为诱导聚合物形成二维片材是不可能的。
麻省理工学院化学工程教授、本项全新研究工作的主要负责人Michael Strano表示，过去人们通常不认为塑料可以用作建筑物结构材料，但使用这种全新的材料，可以创造新事物。这种新材料具有非比寻常、令人兴奋的特性，可以用作 汽车 零件或者手机轻质耐用涂层，此外还可用作桥梁或其他结构的建筑材料。
研究人员已经就生成这种材料的过程申请了两项专利，相关研究成果已经发表在《自然》期刊中的一篇论文。麻省理工学院博士后Yuwen Zeng是该研究的主要作者。
二维材料
包括所有塑料在内的聚合物是由单体组成的结构单元重复聚合成链而成。这些链通过在其末端不断添加新的结构单元形成长链。一旦聚合过程完成，聚合物就可以使用注塑成型的方式，制造三维物体，如水瓶等。
材料科学界长期以来一直存在一种假设：如果可以诱导聚合物生长成二维片材，它们应该会形成极其坚固、轻质的材料。不过在该领域经过数十年研究后，科学家们得出的结论是这种材料不可能实现。其中的重要原因是，在聚合过程中只要有一个单体向上或向下旋转，超出二维平面，材料就会在三个维度上膨胀生长，片状结构将丢失。
然而，在此次进行的新研究中，Strano和他的同事们提出了一种全新聚合工艺，能够生成一种被称为聚芳酰胺的二维片材。其中单体结构单元使用的是一种名为三聚氰胺的化合物，它含有一个碳氮原子环。在适当的条件下，这种单体可以二维生长，形成圆盘状材料。这些圆盘相互堆叠，通过层间的氢键结合在一起，使结构非常稳定和牢固。
Strano表示，全新聚合工艺可以制造出片状分子面，而不是过去形成的制造一个类似意大利面的长分子链，因此能够实现在二维尺度上将分子面自动连接在一起。这种聚合机理可在溶液中自动发生，当材料聚合完成后，可轻松地旋转镀膜形成非常坚固的薄膜。
由于材料在溶液中可自组合，因此可以通过简单地增加起始原料量实现大量制造。研究人员表示，这种材料薄膜可涂覆在其他物体表面上，材料牌号为2DPA-1。
Strano表示，随着这项科研工作取得的进步，人类拥有了二维高分子，这将有助于更容易地制成非常坚固且极薄的新材料。
轻质且高强
研究人员进一步研究显示，新材料的弹性模量——即使材料变形所需的力——比防弹玻璃高4到6倍。此外，尽管这种材料的密度只有钢的六分之一，但它的屈服强度——破坏材料所需的力——是钢的2倍。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院院长Matthew Tirrell表示，这项新技术“体现了一种非常有创意的化学方法，可以制造这种相互连结的二维聚合物”。
Tirrell表示，能够形成这种全新聚合物的重要原因是它易于在溶液中生成，由于材料具有很好的比强度，这将促进许多新的应用，例如新的复合材料或液体中防止扩散的膜材料等。
2DPA-1的另一个关键特性是它不透气。其他聚合物材料一般都是由长链盘绕而成，分子间带有间隙，可以让气体渗入。但是这种新材料是由像乐高积木一样拼接在一起的单体制成，气体分子无法从中间穿过。
利用这种性质，人们可以创造出可完全防止水或气体通过的超薄涂层。这种阻隔涂层可用于保护 汽车 和其他装备中使用的金属结构表面。
Strano研究团队正在就这种特殊聚合物能够形成二维片材的机理进行更详细的研究。此外，研究人员正在尝试改变分子构成以创造其他类型的新型材料。
该研究由美国能源部科学办公室所属的增强纳米流体运输中心（CENT）和美国陆军研究实验室资助。（陈济桁）
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