隨著機械設備向精密化、大型化、自動化、集成化和智能化等方向的快速發(fā)展，對極端工況下高強度應變壓力傳感材料的需求日益增加。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室摩擦物理與傳感團隊提出了“超滯后介導機械訓練策略”，集成分子和結構的正交協(xié)同耦合作用，構建了超強韌的共晶凝膠并設計了離子壓電機械傳感器，實現(xiàn)離子流驅(qū)動的力電傳導，為軟材料的極端力學性能及力?電耦合設計提供了新范式。

超強凝膠通常模量和強度較高，但力學韌性一直是挑戰(zhàn)。該研究通過將低共熔溶劑（DES）引入半結晶性PVA水凝膠中進行機械訓練，實現(xiàn)了超高強度與優(yōu)異韌性的兼容（圖1）。在溶劑置換過程中，通過氫鍵重構促進PVA結晶增強，形成密集的納米晶域并賦予超滯后效應，實現(xiàn)單次預伸展的“超滯后介導的機械訓練”。同時，得益于超滯后的結構阻滯效應，機械訓練后的單網(wǎng)絡凝膠還可進一步浸泡前驅(qū)液，并通過自由基聚合構建化學交聯(lián)的第二網(wǎng)絡形成層級互穿。此層級互穿的雙網(wǎng)絡結構賦予凝膠材料微觀協(xié)同介觀的多尺度能量耗散特性，極大地提升了力學性能，其斷裂強度達~ 85.2 MPa、楊氏模量為~ 98 MPa、斷裂韌性提升至~ 130.6 MJ·m^?3，遠優(yōu)于目前報道的強韌聚合物凝膠體系（圖2）。

圖1.超滯后介導機械訓練的設計理念和策略優(yōu)勢。

圖2.超滯后介導機械訓練的力學強化成果展示。

界面之間的運動、行為會耗散大量的機械能，比如界面摩擦，潤滑是減小能源消耗的有效途徑。然而，對于一些極端工況，界面的機械耗散是不可避免的，為此，針對極端環(huán)境下的高承載或高抗沖擊工程軟材料需求，超滯后介導的機械訓練構建的超強共晶凝膠可通過力電轉導的方式收集機械能，并將轉化的電能作為傳感信號反映壓力應變（圖3），該研究展示了共晶凝膠在高溫環(huán)境中的力學穩(wěn)定性及作為離子壓電機械感受器在壓力驅(qū)動力電轉導的響應性能，實現(xiàn)了強韌力學與電學性能之間的力?電耦合的協(xié)同設計，為性能和功能的適配耦合提供了全新的設計范式和構建策略。

圖3.超強共晶凝膠作為離子壓電機械感受器的應用演示。

該研究工作以“Ultrastrong eutectogels engineered via integrated mechanical training in molecular and structural engineering”為題發(fā)表在Nature Communications上。蘭州化物所博士生許成功為該論文第一作者，蘭州化物所馮雁歌副研究員、王道愛研究員和劉維民院士為共同通訊作者。

以上研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金、甘肅省重大科技專項等項目的支持。