共晶效应驱动的超快相变离子凝胶：实现动态可切换粘附界面的新策略

《Nature Communications》：Cocrystal effect-driven ultrafast phase-transition ionogel for dynamically switchable adhesion interfaces

本刊编辑推荐：针对传统粘附材料在粘附强度与可切换性之间的矛盾，研究人员开发了一种聚离子液体/离子液体共晶离子凝胶。该材料通过共晶结构实现了-10至60°C范围内可精确调控的相变温度，表现出超快相变动力学(t1/2<1 ms)，并同步实现了粘附强度(剥离强度>1000 N/m，切换比>120)和电学性能(切换比102-103)的显著切换。基于粘附-电学耦合效应，成功构建了具有动态反馈调节功能的双模式智能捕获贴片，为柔性电子和软体机器人等领域的智能粘附材料设计提供了新途径。

　　

在自然界中，壁虎能够轻松地在垂直表面甚至倒立的天花板上自由爬行，这种神奇的能力源于其脚掌独特的动态可切换粘附特性。这种智能粘附机制在柔性电子、软体机器人和精密制造等领域同样具有迫切需求。然而，传统粘附材料面临一个根本性矛盾：高粘附强度往往以牺牲可切换性为代价，而快速响应能力又难以与高强度粘附并存。更遗憾的是，现有材料还缺乏对自身粘附状态的实时反馈能力，无法满足新一代智能系统对精准操控的要求。

长期以来，研究人员通过动态化学键、邻苯二酚修饰、填料复合等多种策略提升粘附强度，但这些方法在切换速度和切换比方面仍存在局限。特别是基于结晶-熔融相变的粘附切换材料，虽然具有显著的模量变化优势，但其切换比往往低于10倍，切换时间超过1分钟，难以满足实际应用需求。究其根源，聚合物结晶存在不彻底、速度慢的固有缺陷，而小分子材料虽结晶速度快却易受基质干扰且存在泄漏风险。

针对这一挑战，发表于《Nature Communications》的最新研究提出了一种创新解决方案——聚离子液体/离子液体共晶离子凝胶。该材料巧妙地将聚合物与小分子结晶的优势相结合，通过共晶效应实现了超快相变动力学和优异的性能切换能力。

研究人员采用了几项关键技术方法：通过分子设计合成不同烷基链长度的咪唑类离子液体单体；利用紫外光固化技术制备聚离子液体/离子液体共晶凝胶；采用差示扫描量热仪和快速DSC分析相变行为和结晶动力学；通过90°剥离实验评估粘附性能；借助电化学工作站测试离子电导率；结合流变学测试和X射线衍射分析材料结构与性能关系；并集成银纳米线加热层和叉指电极构建智能捕获贴片。研究队列包括不同烷基链长度(14-22碳)的离子液体系列样品。

相变行为调控

研究发现，由于结构相似性，小分子离子液体能够插入聚离子液体的烷基侧链晶格中形成共晶结构。这种独特的排列方式使材料兼具聚合物结晶的温度连续可调性和小分子结晶的快速相变特性。通过调节烷基链长度，共晶离子凝胶的相变温度可在-10至60°C范围内精确调控，且相变温度窗口显著窄化，过冷效应减弱至约5°C。

粘附与电学性能

在高于熔点的无定形状态下，离子液体从晶格中释放并对聚合物网络产生增塑作用，使凝胶呈现粘弹平衡特性，剥离强度可达906.7 N/m。当温度降至结晶温度以下时，分子链运动受限，凝胶变硬变脆，粘附强度降至10 N/m以下，切换比高达118.3。同时，离子电导率在相变点出现数量级变化，切换比达到10²-10³。

粘附切换机制

流变学测试表明，共晶凝胶在相变过程中储能模量变化达两个数量级。在结晶状态下，凝胶模量显著增加(121.3 MPa)，断裂伸长率急剧下降(2.5%)，导致界面易发生脆性破坏。同时，相变过程中体积收缩引入界面缺陷，进一步削弱粘附强度。表面摩擦系数也从结晶态的0.14增加到熔融态的1.97，实现滑移-粘附切换。

结晶动力学

快速DSC分析显示，共晶凝胶具有超快结晶特性，即使在10,000°C/s的扫描速率下仍能保持75.5%的结晶度。等温结晶实验表明，凝胶在1 ms内即可完成84%的结晶过程，半结晶时间t_1/2保守估计小于1 ms。这种快速结晶能力源于聚离子液体的预有序液晶特性和小分子离子液体的高迁移率协同作用。

智能捕获贴片应用

基于粘附-电学耦合效应，研究人员构建了电控粘附-反馈双功能智能捕获贴片。该器件集成焦耳加热模块和阻抗传感模块，可在1.00 V低电压下实现物体的抓取-释放操作，并通过阻抗信号实时监测粘附状态。阻抗变化与温度变化完全同步，灵敏度达四个数量级，实现了粘附状态的精准反馈控制。

该研究通过共晶策略成功解决了粘附材料强度与可切换性之间的矛盾，创造了具有超快响应、宽温域可调和信号反馈功能的智能粘附材料。虽然热阻效应限制了理论毫秒级切换速度的实际实现，但这项工作为柔性电子和软体机器人领域的动态粘附界面设计提供了全新范式，展现出广阔的应用前景。共晶离子凝胶独特的性能组合为下一代智能粘附系统的发展奠定了重要基础。