近日，中国农业大学理学院化学系陈列副教授在柔性驱动器研究方面取得新进展，在国际顶级旗舰期刊《中国化学会 化学》（CCS Chemistry）杂志在线发表研究论文《具有可控亚稳态的高强度形状记忆离子凝胶，用于高做功密度驱动器》（High strength shape memory ionogels with controllable metastable state for high-work-density actuation）。该工作提出了基于亚稳态调控的动态增强策略，突破了传统水凝胶难以同时获得高应变与高驱动力的力学限制，在新型智能装备的构建中具有重要应用前景。

聚合物凝胶因其柔软性和刺激多样性而成为构建智能驱动器的理想材料。然而，传统的刺激响应型聚合物凝胶在用于柔性驱动器时，由于可传递的力小或变形能力差，导致其做功密度有限。针对这一问题，研究团队提出了一种基于相分离强化机理的高做功密度软驱动器制备策略（见图1）。通过调控液-液相分离凝胶体系相图中Berghmans点所对应的高分子含量，实现了兼具高强度（E~650 MPa, σ~24 MPa）与刚度大范围可调（10⁴~ 10⁸ Pa）凝胶材料的制备。凝胶材料优异的力学特性显著提升了其作为驱动器的功率密度，其收缩力和做功密度分别高达238 kPa和161.5 kJ/m³。这种非挥发且亚稳态可调的离子凝胶，在智能结构、软机器人和人造肌肉等同时需要高机械强度和良好成形性的先进工程领域具有很大的应用前景。

图1 相分离强化机理与高功率密度凝胶制动器

图2 离子凝胶的复合相图及物化性质表征

研究团队通过构建一个被聚合物玻璃化转变截获的液-液相分离体系，提出了一种通过相图中的Berghmans点来操控离子凝胶亚稳态的策略。这种策略使得制备的离子凝胶具有极高的力学强度（E~650 MPa, σ~24 MPa）以及宽范围的可切换刚度(10⁴~10⁸ Pa)，类似于形状记忆聚合物的玻璃化转变（见图2）。

通过制备具有双层或三明治结构的多相复合离子凝胶，研究团队构建了具有可编程驱动行为的智能装置，其工作密度高达161.5 kJ/m³，优于当前传统的凝胶致动器甚至动物的肌肉组织（见图3）。这些具有可控亚稳态和优异机械强度的非挥发性电离胶在软机器人、智能装置和人造肌肉等领域具有潜在的应用前景。

图3 基于离子凝胶形状记忆行为的可编程驱动器

中国农业大学陈列副教授和北京航空航天大学本科生柴家琦为论文第一作者；北京航空航天大学刘明杰教授、黄金副教授为通讯作者；北京航空航天大学博士研究生张龙昊、华南理工大学周嘉嘉教授为共同作者。

陈列副教授的主要研究方向为基于离子液体的智能高分子复合凝胶材料。聚焦于具有液-液相分离行为智能高分子凝胶的设计制备与应用探索，提出了基于疏水与氢键协同作用调控凝胶液-液相分离转变温度的作用机制，并首次将Berghmans点拓展到高分子材料的设计中，建立了基于微区玻璃化转变调控相分离亚稳态的新策略。近年来在相关领域取得一系列重要成果，在《自然·通讯》（Nat. commun.）、《先进材料》（Adv. Mater.）、《中国化学会·化学》（CCS Chem.）等高水平期刊发表SCI论文8篇，含第一或通讯作者6篇，已授权2项国家发明专利。