东南大学李霁教授团队 AFM：受竹子启发，超强、可回收、3D 打印的超分子共晶凝胶 - 用于冲击防护与刺激响应驱动

2026-05-07 来源：高分子科技

从可穿戴健康监测设备、智能柔性机器人，到航空航天抗冲击阻尼系统，下一代柔性电子与智能装备的飞速发展，对柔性导电材料提出了极为严苛的要求—— 需要同时兼具极致的机械强韧性、宽温域环境耐受性、多功能集成性与复杂结构可加工性。

传统水凝胶虽具备优异的离子导电性与生物相容性，却面临低温易冻、高温易失水、机械强度不足的致命短板；离子液体凝胶虽解决了热稳定性问题，却受限于高昂成本、难以回收与循环利用、生物毒性与加工难度。共晶凝胶（Eutectogels）作为离子凝胶的新兴分支，凭借优异的离子导电性、热 / 化学稳定性、生物相容性与低成本优势，成为柔性离子导体的理想候选材料。然而，现有共晶凝胶始终无法突破 “强度 - 韧性” 的固有权衡，化学交联体系牺牲了韧性与自修复能力，物理交联体系则面临力学性能不足、低温脆化的问题，且复杂的合成工艺与传统成型手段，也限制了其在抗冲击材料、柔性电路等定制化复杂结构中的应用。

近日，东南大学集成电路学院、MEMS 教育部重点实验室李霁教授团队，从天然竹子的多级结构与多组分协同效应中汲取灵感，发表了突破性研究成果。团队通过多尺度非共价相互作用，将刚性骨架与耗能相动态整合，构建了一种具有仿竹子多级结构的超分子共晶凝胶（PCLT），一举突破了共晶凝胶长期存在的力学性能、加工性与多功能性的核心瓶颈，在航空航天冲击防护、智能柔性机器人、柔性驱动等领域展现出巨大的应用潜力。

相关研究以Bamboo-Inspired Ultra-Strong, Recyclable, and 3D Printable Supramolecular Eutectogels for Impact Protection and Stimuli-Responsive Actuation为题发表在《Advanced Functional Materials》上。东南大学博士研究生张汉强为论文第一作者，李霁教授为论文通讯作者，东南大学为唯一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金(项目号61974025，61504024)、中央高校建设经费的资助。

图1 受竹子启发的超分子共晶凝胶设计灵感与一步光固化 3D 打印策略

团队模仿天然竹子的结构原理，以微晶纤维素(microcrystalline cellulose, MCC)构建刚性骨架，木质素(lignin)作为能量耗散相，海藻糖(trehalose)增强氢键网络，再通过可聚合深共熔溶剂形成的长链聚合物动态桥接各组分，借助多重非共价相互作用，形成仿竹子多级超分子交联网络。该体系无需化学交联剂，一步光固化即可完成制备，同时完美适配 3D 打印工艺，可快速成型各类定制化复杂结构。

图2 PCLT超分子共晶凝胶的微观结构与化学表征

系列表征验证了凝胶的核心设计：功能组分在基体中均匀分散无团聚，氢键、π-π 堆叠等多重非共价相互作用成功构建；凝胶在 - 40℃到 120℃宽温域内保持稳定的粘弹性，同时具备优异的抗冻性与热稳定性，可适配极端环境应用需求。

图3 PCLT超分子共晶凝胶的核心力学性能

该凝胶具有优异的力学性能，常规条件下拉伸强度高达 17 MPa，韧性达 64.5 MJ/m3；-50℃极端低温下，压缩强度可达 820 MPa，90% 超大应变压缩后仍能实现近 95% 的形状回弹。同时材料兼具显著的应变率硬化特性与优异的抗穿刺、抗裂纹扩展能力，解决了传统凝胶 “强而不韧、韧而不强” 的痛点。

图4 PCLT超分子共晶凝胶的多功能集成特性

除极致力学性能外，凝胶还集成了丰富的实用功能：对金属、玻璃、陶瓷等各类基材均具备强粘附能力，最高粘附强度达 480 kPa；室温下可实现自主自修复；可在室温水中完全溶解并二次成型回收；通过 Al³⁺ 配位调控，还可实现水溶性到水不溶性的可逆切换。

图5 PCLT超分子共晶凝胶的高速冲击防护性能验证

依托优异的动态力学与能量耗散特性，材料在冲击防护领域表现亮眼：6000 s?1 超高应变率冲击下，冲击韧性较 1000 s?1 下提升 33 倍；2 mm 厚的凝胶薄膜即可完全保护玻璃基板免受钢球冲击碎裂；3D 打印的仿生晶格结构对坠落球体的能量吸收效率高达 99.81%，可稳定保护易碎品免受冲击破坏，在航空航天减震、精密仪器防护等场景极具应用价值。

图6 PCLT超分子共晶凝胶的形状记忆、仿生驱动与智能逻辑开关应用

基于温度敏感的动态超分子网络，凝胶具备优异的形状记忆效应与热响应驱动特性，可实现可编程变形与精准恢复，能模拟骨骼肌收缩行为，驱动仿生手臂完成大角度弯曲，是软机器人理想的人工肌肉材料。同时，团队基于材料的温湿度双响应特性，构建了双输入智能逻辑开关系统，可实现高温、水浸环境的实时监测，拓展了材料在智能传感领域的应用边界。

总结与展望

这项工作以天然竹子的仿生设计为核心，通过超分子多尺度非共价交联的创新策略，结合一步光固化3D 打印的可定制化制造工艺，解决了传统共晶凝胶长期存在的 “强度 - 韧性权衡”、加工受限、功能单一等核心痛点。所制备的超分子共晶凝胶同时兼具超高强度、优异韧性、宽温域耐受性、自修复、可回收、3D 打印性与刺激响应特性，在航空航天冲击防护、智能柔性机器人、柔性电子、可穿戴设备等领域展现出巨大的应用潜力。该研究不仅为高性能共晶凝胶的设计构建建立了全新的范式，也为下一代柔性智能材料的发展提供了新的方向，充分证明了自然启发的超分子设计与增材制造技术结合，是突破柔性材料固有性能瓶颈的有效路径。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.75646

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（责任编辑：xu）

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