重点实验室范玲团队在《Advanced Functional Materials》发表研究论文
作者：范玲
柔性传感防护材料在可穿戴电子、水下探测、冲击防护领域对设备运行安全至关重要。尽管传统离子凝胶能够实现离子传导与柔性形变，但仍存在阻尼性能不足、极端环境下溶胀结冰以及强度‑阻尼性能相互制衡等缺陷。相比之下，分子多级动态交联离子凝胶凭借高能量耗散能力、优异环境耐受性与可调力学性能备受瞩目。随着分子尺度高分子设计策略的突破，传统凝胶体系难以兼顾高强韧、高阻尼与宽温域稳定性的局限得到破解，为面向复杂工况的柔性功能材料开发开辟了新途径。
鉴于此，广西民族大学范玲老师、广西医科大学靳荣华老师团队，联合提出构象调控-动态界面耦合协同增强策略，开发出 聚乙烯醇‑硫辛酸‑烯烃化环糊精离子凝胶（PLC‑Ionogel），一举打通高阻尼力学性能与极端环境耐受性之间的矛盾，为多模态柔性传感材料提供全新分子设计思路。
相关研究以“Conformation‑Mediated Energy Dissipation Enables High‑Damping and Environmentally Tolerant Ionogels for Flexible Sensing”为题发表于TOP期刊《Advanced Functional Materials》，该研究在分子构象调控能量耗散与极端耐受离子凝胶开发方面展现突出创新性，为复杂柔性传感防护材料提供全新设计思路。论文第一作者为广西民族大学化学化工学院孔令涌硕士，通讯作者为范玲与靳荣华，文章通讯单位为广西民族大学化学化工学院、广西医科大学药学院。
本文亮点：
（1）CM 构象调控构建跨尺度多级接力能量耗散通路：
传统提升离子凝胶阻尼性能的策略（如引入纳米填料、构筑分级结构、物理共混）大多依靠增加体系内摩擦损耗源实现能量耗散，但很少关注能量耗散受限的另一核心因素，即外力作用下分子链变形缺少本征可响应的构象耗散单元。针对该问题，本工作提出构象介导耦合动态界面协同的设计思路，采用烯烃化环糊精（CM）作为多功能结构单元，借助力诱导环糊精糖单元椅式‑船式构象翻转，协同氢键、离子液体溶剂化剪切效应，搭建跨尺度多级接力式能量耗散通路。依托该分子设计，制备得到的 PLC‑Ionogel 阻尼能力最高可达 94%，损耗因子tan δ约1.3，在已报道离子凝胶材料中表现十分突出。
（2）CM 主客体作用实现高阻尼性能与极端环境耐受性兼顾：
此外，抗溶胀、耐低温的环境适配能力和阻尼性能之间的制衡关系同样意义重大，却长期难以同步解决。到目前为止，离子凝胶中高阻尼与水下抗溶胀、低温抗冻性能之间的权衡难题仍缺少有效的分子解决方案。该研究利用 CM 疏水空腔与胆碱‑甘氨酸离子液体形成主客体包合作用，将离子液体稳定锁合在凝胶网络中。同时依靠 LA 疏水烷基聚集形成疏水微域，协同多重动态非共价键网络抑制水分子侵入，实现低溶胀与超低温耐受。该工作为开发高阻尼、耐复杂环境的柔性离子凝胶提供全新的分子设计思路。
（3）PLC‑Ion 凝胶实现信号稳定的多功能柔性传感应用：
基于该 PLC‑Ionogel 离子凝胶，组装得到的自阻尼压力传感器能够在冲击振动干扰环境下输出稳定电信号。在人体运动监测中可以精准识别多关节形变。同时该凝胶可以替代商用导电凝胶电极采集心电信号，静息与运动状态下均可获取完整清晰心电波形。水下传感场景能够实现水下形变监测，可以完成摩斯密码信号传输。此外材料兼具可回收再加工、抗菌、良好细胞生物相容性等优势。上述综合性能在极端工况柔性传感离子凝胶中处于先进水平，充分证明该构象介导能量耗散策略在防护传感、水下可穿戴、生理信号检测等器件领域巨大的应用前景。
图文解析
图 1. 构象介导能量耗散型 PLC‑Ionogel 离子凝胶的设计原理
针对离子凝胶中高阻尼力学性能与极端环境耐受性难以兼顾的难题，作者提出一种创新的构象‑动态界面耦合协同强化策略，以同时实现高效能量耗散、优异抗溶胀与耐低温特性，从而构筑面向复杂工况的高性能柔性传感离子凝胶。该策略以烯基环糊精（CM）作为多功能分子响应单元，结合硫‑烯点击交联反应与溶剂交换工艺，成功制备得到 PLC‑Ionogel 离子凝胶。在该体系中，受力诱导下 CM 发生葡萄糖单元椅式‑船式构象转变，构建多级接力式能量耗散通路，实现高效机械能耗散。同时 CM 疏水空腔与胆碱‑甘氨酸离子液体发生主客体包合作用，协同氢键、静电相互作用将离子液体牢牢锁入网络，抑制水分子渗透与低温结冰，赋予离子凝胶优异的抗溶胀、耐低温等环境适应能力。
图 2. PLC‑Ionogel 的制备与表征
基于上述构象介导与动态界面耦合协同策略，作者通过巯‑烯点击交联以及溶剂交换工艺构筑 PLC‑Ionogel 离子凝胶，并以 PLC‑DMSO 有机凝胶作为对照样品。结果表明，PLC‑Ionogel 展现出优异的离子液体锁存效果与网络集成特性，FTIR 红外光谱证实巯‑烯反应顺利完成，同时羟基特征峰进一步红移，证明离子液体[Ch][Gly]参与构建更加致密的氢键网络。DFT‑EDA 理论计算定量解析聚合物基体与离子液体之间氢键、静电非共价相互作用。XRD、SAXS 测试结果表明溶剂交换促使高分子链有序重排，结晶行为发生改变，同时凝胶保持 86% 的高透光率。XPS 证实溶剂交换可以完全除去 DMSO 溶剂。UV‑vis 光谱长时间监测证明 CM 主客体作用可以有效抑制离子液体泄漏。DSC 测试显示 PLC‑Ionogel 拥有低至‑78.8 ℃的玻璃化转变温度，赋予材料优异耐低温性能；DMA 动态力学分析证明宽温度区间内凝胶维持橡胶态网络稳定性，SEM 形貌观测直观展现溶剂交换前后凝胶微观网络形貌的显著差异。
图 3. PLC‑Ionogel 的力学性能
为探究组分含量以及溶剂交换对凝胶力学行为的影响，系统开展单轴拉伸、循环拉伸、撕裂、缺口拉伸、循环压缩等力学测试。PVA、LA、CM 组分的含量会显著调控交联网络致密程度，各组分均存在最优配比。溶剂交换引入[Ch][Gly] 离子液体后，链段滑移能力提升，CM 更容易发生刚性‑柔性构象转变，PLC‑Ionogel 断裂伸长率提升至 631%，同时保持 26.9 MJ/m3 的高韧性。和已报道文献的离子凝胶相比，该材料在拉伸强度与韧性上具备综合优势。循环拉伸实验表明经过初始少量不可逆形变后，力学性能和能量耗散趋于稳定。凝胶具备可观的撕裂强度，带缺口试样依然可以实现大断裂应变，抗裂纹扩展能力突出。循环压缩测试可见明显的滞后回线，随应变增大滞后环不断扩大，充分体现该离子凝胶优异的能量耗散能力。
图 4. PLC‑Ionogel 多尺度协同能量耗散机理
借助分子动力学模拟揭示 PLC‑Ionogel 跨尺度多级协同能量耗散机制。在外力场作用下凝胶网络依次经历弹性形变、粘性滑移、局部屈服直至宏观断裂全过程。拉伸初始阶段依靠氢键断裂、链段滑移耗散能量。随形变增大，CM 单元发生构象畸变，离子液体产生溶剂化剪切摩擦共同耗散能量。当物理作用消耗殆尽，硫醚共价交联发生力化学剪切断裂，承担最后一道防护。通过对氢键、CM 构象、硫醚键断裂能量进行定量分析，验证“牺牲键”增韧机理。流体耦合条件下的宏观应力‑应变曲线呈现典型的非线性超弹性行为，离子液体能够延缓应力集中，抑制脆性断裂。多维热力学相轨迹证明各类耗散机制并非独立工作，而是存在强非线性耦合，形成逐级耗散的能量吸收通路，从微观层面解释材料高强韧与高阻尼共存的根源。
图 5. CM 受力构象转变与凝胶阻尼性能
利用 DFT 约束拉伸模拟探究 CM 分子受力下的能量‑构象演化。CM 拉伸过程分为三个阶段：释放隐藏长度、葡萄糖单元发生椅式‑船式构象转变、多糖单元协同翻转，构象转变过程需要克服能量势垒，实现分子层面能量耗散。不同凝胶的循环加卸载拉伸测试结果证明，引入 CM 可以显著提升体系耗散能。PLC‑Ionogel 阻尼能力最高可达 94%。静置恢复实验证明 CM 构象变化具备良好可恢复性。此外，梯度增大应变的循环加载实验表明，在宽应变范围内材料维持稳定高阻尼能力。将阻尼性能与已报道凝胶材料横向对比，PLC‑Ionogel 在阻尼能力和耗散能量上处于领先水平，证实 CM 构象转变对于提升阻尼性能起到关键贡献。
图 6. PLC‑Ionogel 冲击阻尼与振动耗散性能
利用分离式霍普金森压杆（SHPB）开展高速冲击实验，探究高应变率下 PLC‑Ionogel 的抗冲击行为。随着应变率提升，材料冲击强度最高超过 110 MPa，展现优异高速冲击吸能特性，与已报道抗冲击凝胶对比具备明显优势。流变频率扫描测试说明离子凝胶具备几乎不随频率变化的高损耗模量。温度扫描得到最高 1.3的损耗因子 tan δ，优于绝大多数文献报道阻尼凝胶。钢球跌落防护实验直观验证 PLC‑Ionogel 的实际冲击防护效果，可以有效保护玻璃板不被击碎。结合分子机理示意图阐释冲击能量耗散逻辑：氢键滑移、CM 可逆构象变化协同离子液体促进链段运动，将宏观冲击振动转化为分子尺度摩擦耗散，赋予材料出色阻尼抗冲击特性。
图 7. 基于 PLC‑Ionogel 的多功能柔性传感器
依托 PLC‑Ionogel的离子导电特性与本征自阻尼特性，构建多种柔性传感器件。压力自驱动传感器基于压电离子效应，在50‑500 g宽压力区间输出稳定开路电压，对不同压力、压缩应变均可产生可分辨电信号响应。该应变传感器可以实现大形变范围内人体关节运动监测。钢球跌落冲击实验表明器件信号输出与冲击强度严格对应，具备动态冲击监测能力。在10‑40 Hz振动干扰条件下依然可以输出稳定信号，体现材料本征阻尼抑制振动噪声的优势。将离子凝胶替代商用 Ag/AgCl 导电凝胶电极，无论是静息状态还是运动状态，均可以采集到完整清晰包含 P、Q、R、S、T 特征波的心电信号，证明该离子凝胶在生物生理信号检测领域的应用潜力。
图 8. PLC‑Ionogel 环境适应性与生物安全性
开展长时间水浸泡实验评价抗溶胀性能。PLC‑Ionogel 浸泡 30 天后溶胀比仅为 13.7%，远优于多数报道凝胶。在生理盐水中甚至出现负溶胀现象，CM 主客体包合作用有效束缚离子液体，减少组分泄漏。热重以及不同温度恒温老化测试，证明离子凝胶拥有良好热稳定性。回收循环实验，FTIR 表征证实循环后化学结构保持完整，循环再生后依旧保留良好力学与阻尼性能。抗菌实验以及 HaCaT 角质形成细胞活死染色、MTT 细胞活力测试，证实 PLC‑Ionogel 拥有优异抗菌活性、无细胞毒性，良好生物相容性满足生物医用可穿戴器件使用要求。
总结与展望：
本工作提出构象介导耦合动态界面协同强化策略，通过引入烯基环糊精（CM）多功能单元，结合巯‑烯点击交联与离子液体溶剂交换，构建多级接力能量耗散通路以及主客体氢键锁存离子液体网络，从根本上解决了离子凝胶高阻尼性能与极端环境耐受性之间的矛盾。所得 PLC‑Ionogel 兼具超高阻尼能力（＞94%）、优异冲击强度（＞110 MPa）、低溶胀比（＜13.7%）以及超低温耐受（Tg＜‑78.8 ℃），同时拥有～7.5 MPa 拉伸强度、26.9 MJ/m3 的高韧性。基于该凝胶搭建的柔性传感器可实现人体运动监测、冲击动态感知、水下信号采集以及高质量心电信号检测，在振动干扰环境下依旧维持信号稳定，材料还具备可回收、抗菌、良好生物相容性等优势。该工作为面向复杂工况下可穿戴防护传感体系的高性能离子凝胶提供了全新的分子设计拓展了空间。
文献详情：
Lingyong Kong, Shijuan Su, Nanjun Shen, Wenfeng Zhang, Haishu Pan, Ling Fan, Ronghua Jin. Conformation‑Mediated Energy Dissipation Enables High‑Damping and Environmentally Tolerant Ionogels for Flexible Sensing, Advanced Functional Materials, 2026, e77803.
DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.77803
本工作是本课题组在功能性凝胶材料领域的系列成果之一。前期，我们分别实现了离子凝胶的抗溶胀/抗冻性能突破（10.1016/j.cej.2025.166097）与紫外屏蔽/可回收功能集成（10.1016/j.cej.2026.176945）。本工作则在此基础上，创新性地引入构象介导能量耗散机制，将阻尼性能与冲击强度推向新高度。三篇工作层层递进，从环境稳定性到多场景适配，再到动态力学管理，构建了完整的材料设计逻辑。该系列成果为极端环境下的柔性传感与智能防护提供了系统的材料解决方案。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166097
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.176945
（作者：范玲 摄影：范玲 编辑：贺心妍 初审：贺心妍 复审：苏日辉，刘前程 终审：刘绍刚）