背景介绍

离子凝胶（ICG）作为一种新兴材料，在人造皮肤、微流控制器、传感等领域展现出巨大的应用潜力。在这类条件下使用的材料通常需要具有优异的机械性能、高离子导电率、长使用寿命和出色的循环稳定等特点。然而，水在凝胶中的主要存在形式为液相，导致其使用温度范围较窄，环境适应性差。这严重阻碍了ICG的实际应用。因此，具有强水结合能力的非水液相材料，如离子液体（ILs）、共晶溶剂和甘油等，通常用于参与凝胶中以提高其环境稳定性。其中，IL由于其低可燃性、低挥发性和离子导电率被认为是最适合制造ICG的材料。然而，从IL中解离的离子的传质阻力和低扩散系数通常会导致相对较低的离子电导率。降低聚合物网络交联度或引入助溶剂虽可以提高电导率，但同时降低了ICG的机械性能。因此，急需设计一种策略，在不牺牲机械性能的情况下，尽可能的提高离子电导率。

本文要点

该工作设计了一种通过水诱导的竞争性水合相互作用来制备高性能离子凝胶的策略。在聚丙烯酸-纳米纤维素（PAA-CNF）离子凝胶体系中，通过引入水与IL竞争性结合，不仅有效降低IL粘度，提高电导率，还抑制了水的冻结和蒸发，提高了环境稳定性。该工作基于此策略得到的离子凝胶具有102倍的拉伸应变，21.8 ± 0.9 MJ /m3的断裂韧性，0.7 S/m的电导率和在-45℃下的优异抗冻性能。

图文解析

要点：

1. 图1a展示了该ICG的制备流程和结构示意图，图1b，c通过分子动力学模拟计算了纤维素/水、纤维素/IL 和水/IL 的结合能，进一步优化各组分的比例。

要点：

1. 图2展示了通过拉伸测试研究了制备的离子凝胶的机械性能。

要点：

1. 由于掺入了IL和电解质（AlCl3），电离凝胶具有良好的离子电导率，该工作测试了水和CNF的加入对阻抗的影响。

2. 此外，该凝胶还具有良好的抗冻性能，拓展了其在极低环境或冬季严寒环境中的应用，如图3d所示，最有比例的离子凝胶在-44℃下依然具有良好的柔韧性和拉伸性以及光学透明度。这种优异的抗冻效果是IL的存在及其与水相互作用的结果。

要点：

1. 为了展现该离子凝胶的可能功能，例如在感测多种刺激方面，该工作测试了对应变、压力、湿度和温度的响应。如图4所示，基于该离子凝胶开发的压阻式应变传感器在0–2000%应变的应变范围内，品质因子（GF）从0增加到9.8，表明基于离子凝胶的应变传感器具有良好的灵敏度及其用于宽范围应变监测的优点。当其作为压力传感器，其灵敏度最高可达1.6/kPa，最大可承受2 MPa的压力。

要点：

1. 该工作还测试了其作为温度传感器的可行性，如图5所示，当温度从30°C升高到80°C，电阻呈现线性变化，且降温后又能返回原点，信号稳定。

要点：

1. 最后，该工作还测试了离子凝胶的环境稳定性，其在为其一个月的暴露测试中，展现出良好的稳定性，重量几乎不变，机械性能接近初始值的95%。