机械强韧共晶凝胶：精确调控晶域结构实现高性能功能材料

本研究针对共晶凝胶(Eutectogels)机械性能不足的难题，提出变温溶剂交换(VTSE)策略，通过低温(-18°C)和室温(30°C)两阶段溶剂交换精确调控PVA晶核形成与生长，构建了晶域交联的强韧网络。所得共晶凝胶兼具高杨氏模量(103.1 MPa)、强度(40.5 MPa)、韧性(86.8 MJ m-3)和断裂能(98.7 kJ m-2)，性能超越传统水/有机/离子凝胶，为功能性凝胶设计提供新平台。

　　

在生物医学工程、柔性电子和能源存储等领域，高性能凝胶材料的需求日益增长。传统水凝胶、有机凝胶和离子凝胶往往面临机械强度不足、环境稳定性差或生物相容性欠佳等问题。共晶凝胶(Eutectogels)作为新兴材料，虽具有低挥发性、宽电化学窗口等优势，但其脆弱的网络结构导致难以同时实现高强度和高韧性。这一"刚度-韧性权衡"难题长期制约着其实际应用。

中国科学院的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，通过变温溶剂交换(Variable-Temperature Solvent Exchange, VTSE)策略，成功制备出机械性能卓越的共晶凝胶。该研究巧妙利用PVA在水(良溶剂)和深共晶溶剂(DES，不良溶剂)中的构象差异，通过低温(-18°C)阶段固定伸展链构象促进晶核形成，再经室温(30°C)阶段促进晶体生长，最终构建出晶域尺寸均匀(2.21 nm)、间距适中(7.1 nm)的交联网络。

关键技术包括：(1)两阶段VTSE工艺调控结晶动力学；(2)X射线衍射(XRD)和小角X射线散射(SAXS)表征晶域结构；(3)分子动力学模拟验证链构象变化；(4)力学测试评估模量、韧性和断裂能；(5)有限元分析(FEA)模拟裂纹扩展行为。

精确调控晶域结构的VTSE策略

通过对比单一温度处理的R-PVA₂₀和L-PVA₂₀，VTSE制备的LR-PVA₂₀展现出更优的链伸展保持(体积收缩率58.1% vs 67.1%)和更高结晶度(9.33% vs 6.40%)。分子模拟证实低温DES中PVA链回转半径(R_g)保持0.66 nm，显著优于室温下的0.55 nm。

突破性的机械性能

LR-PVA₂₀实现了传统凝胶难以企及的性能组合：杨氏模量达103.1 MPa时仍保持86.8 MJ m^-3的高韧性。循环加载显示其能量耗散率超85%，归因于晶域作为可牺牲交联点的动态解离/重组机制。XRD证实100%应变下结晶度从9.33%降至6.46%，揭示了晶域展开的能量耗散途径。

卓越的抗裂纹扩展能力

裂纹扩展实验显示LR-PVA₂₀断裂能(98.7 kJ m^-2)是常规凝胶的2-5倍。有限元分析表明优化晶域能有效分散裂纹尖端应力，其应力分布范围比R-PVA₂₀扩大近40%。结构化设计的负泊松比(-0.53)凝胶进一步展示了其在柔性传感中的应用潜力。

策略的普适性拓展

研究证实VTSE可推广至Gly/TMAC等不同DES体系，所获凝胶模量均超80 MPa。该策略同样适用于制备高强度水凝胶(2M NaCl)和有机凝胶，其中Gly基有机凝胶强度达37.8 MPa，创同类材料纪录。

这项研究通过结晶动力学的精确调控，突破了凝胶材料的性能瓶颈。VTSE策略无需复杂分子设计，仅通过物理过程优化即实现晶域尺寸、分布的精准控制，为功能性凝胶的工业化制备提供了新思路。其开发的材料在人工肌腱、柔性电子和固态电解质等领域展现广阔前景，特别是环境稳定性(DES基)与机械性能的协同提升，解决了传统凝胶在极端条件下的应用限制。研究建立的"构象固定-晶核诱导-晶体生长"三阶段模型，为多尺度结构调控提供了普适性方法论。