水凝胶因其柔软可调的机械性能被广泛应用于传感器、柔性电子等领域，但在极低温环境中会因水分结冰而性能急剧下降，从而限制了其应用。针对这一难题，张拥军/张岩课题组基于2-甲基-1,3-丙二醇(MPD)和氯化胆碱(ChCl)开发了一种新型深共晶溶剂[ChCl][MPD]，该溶剂的凝固点低至-107.7°C。利用此溶剂为分散介质，在其中共聚丙烯酰胺(AAm)与丙烯酸(AAc)，制备出微相分离的共晶凝胶。该凝胶兼具高拉伸性、高韧性和高阻尼能力。该凝胶在-100°C下仍保持出色的拉伸性能和阻尼特性，可用作抗冲击、振动隔离及宽温域传感材料。研究结果为极端低温环境下高性能柔性材料的设计提供了新思路。

  课题组选用MPD作为氢键供体、胆碱氯化物(ChCl)作为氢键受体，构建了一系列MPD基深共晶溶剂，并发现[ChCl][MPD]组合的凝固点最低，仅为-107.7°C。这一凝固点刷新了迄今报道的深共晶溶剂记录，意味着在-100°C条件下该溶剂仍然处于液相。实验证明，[ChCl][MPD]对光透明且化学稳定，在25°C和-100°C时均保持高度透明。此外，该溶剂在宽温区间内具有良好的离子导电性：25°C时电导率为2.83 mS/cm，降至-100°C时仍为0.0151 mS/cm。这些性能表明[ChCl][MPD]是一种理想的抗冻凝胶分散介质。

图1. ChCl和MPD形成的共晶混合物的性质。

  在此深共晶介质中，课题组采用原位自由基聚合，将丙烯酰胺(AAm)与丙烯酸(AAc)单体混合并交联共聚，成功制备出了微相分离共晶凝胶。研究发现，当共聚物中PAAm摩尔分数超过约0.425时，凝胶由透明变为乳白色，表明相分离结构的形成。DFT计算和溶解度实验均表明，PAAc链段与[ChCl][MPD]相容性更好，形成连续的透明网络；而PAAm对[ChCl][MPD]相容性较差，形成分散的刚性相。因此，该共晶凝胶由PAAc-丰富的溶剂相和PAAm-丰富的聚合物相两种互穿结构组成，实现了相分离网络的高强度结构。实验证明，该凝胶表现出极高的韧性：一个厚度5 mm、预裂纹长度2.5 mm的样品在拉伸到810%应变时仍未断裂，其断裂韧性达30.8 kJ/m^2，超过了许多生物组织（如人类肌腱、心瓣）的断裂韧性。

图2.室温下的P（AAm-co-AAc）微相分离凝胶。

  该共晶凝胶在极低温下的力学性能亦极为优异。差示扫描量热测试表明该凝胶冰点约为-117°C，因此在-100°C下凝胶仍然柔软可拉伸。应力-应变曲线随温度变化显示：温度降低时，凝胶的拉伸强度和弹性模量显著提高，而断裂伸长率略有下降。与此同时，其阻尼能力在低温下极为突出：在100%应变下，凝胶在-100°C时的阻尼比达到93.4%。这些现象一方面源于溶剂粘度随低温上升而显著抑制了聚合物链运动，另一方面源自于高温下聚合物相的可逆溶胀，导致高温时相分离结构减弱。总之，微相分离聚合物网络与低冰点溶剂的双重设计赋予了凝胶在室温和低温下同时具备高强度和高能量耗散特性。

图3.不同温度下的微相分离凝胶。

  凭借上述优异性能，该凝胶在极端条件下也能有效吸收冲击能量。如高速度撞击实验所示，在25°C或-100°C条件下，160 m/s速度的钢球撞击凝胶薄膜后均被弹回，未能穿透凝胶（对比实验表明，普通PAAc凝胶在同样条件下易被穿透）。

图4.弹道实验。

  此外，该共晶凝胶也具备广温度范围的传感功能。随着温度升高，[ChCl][MPD]的电导率急剧下降，使得凝胶的电阻随之显著增大，从而可以用于温度监测。课题组通过将凝胶串联至LED电路，实验证明凝胶的亮度随温度变化敏感可见，并在-100~20°C和30~150°C范围内显示出稳定的电信号平台。

图5.温度传感性能。

  该工作实现了在-100°C温度下仍兼具较高伸长率、高韧性和高阻尼的共晶凝胶材料。通过选用凝固点极低的[ChCl][MPD]深共晶溶剂以及设计微相分离聚合物网络，该凝胶克服了普通水凝胶在极寒环境下失效的瓶颈。研究结果不仅为低温柔性电子器件、极地和航天环境下的振动/冲击防护以及宽温度范围传感等应用提供了全新的材料方案，也为深共晶溶剂在功能凝胶中的应用开辟了新方向。

  该工作第一作者为天津工业大学的张岩副教授和硕士研究生陈晓维，通讯作者为天津工业大学的张拥军教授、张岩副教授和王亚斐博士。该工作得到了国家自然科学基金（52033004, 52073146, 52273109, 52303013, 22275137）、河北省自然科学基金（E2023110007, E2023110020）等项目的资助支持。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202511554