东北林业大学于海鹏/沈阳化工大学赵大伟《自然·通讯》：双离子络合结晶诱导分子组装实现机械强度-耐高温-高导电的纤维素离子凝胶

摘要：在柔性电子、可穿戴设备、生物传感和能量转换等新兴领域快速发展的背景下，如何在同一材料体系中兼顾高机械性能、热稳定性与高离子电导率，始终是制约离子凝胶高值化应用的瓶颈。传统离子凝胶普遍存在“强度提升—导电下降”或“导电增强—温度受限”的性能权衡，难以满足器件对多

在柔性电子、可穿戴设备、生物传感和能量转换等新兴领域快速发展的背景下，如何在同一材料体系中兼顾高机械性能、热稳定性与高离子电导率，始终是制约离子凝胶高值化应用的瓶颈。传统离子凝胶普遍存在“强度提升—导电下降”或“导电增强—温度受限”的性能权衡，难以满足器件对多性能协同的需求。这种性能权衡本质上源于分子层面的结构矛盾，增强力学性能需要致密稳固的网络结构，却会压缩离子迁移通道、削弱导电性；而提升电导率往往依赖小分子或盐离子破坏链间作用力，又会导致骨架松散、强度下降。同时，温度变化还会引发链段重排、水化层扰动和相态转变，使材料在高温、低温或冷热循环中性能衰减。因此，如何在分子尺度打破这种耦合限制，实现结构与传导机制的协同，是离子凝胶实用化的核心挑战。

近日，东北林业大学于海鹏教授与沈阳化工大学赵大伟教授提出了一种“双离子络合结晶诱导分子组装”策略，利用结晶行为引导纤维素分子链组装及形成致密有序的分子网络。得益于双离子协调与纤维素、水分子间的络合配位-氢键重构竞争机制，成功构建出兼具高机械强度、宽的温度稳定性和优异离子电导率的纤维素离子凝胶（Cry-gel）。相关研究成果以“Balancing mechanical-thermal-electrical properties in cellulose ionogels via crystallization-induced molecular asSEMbly”为题发表于《Nature Communications》。该论文的第一作者是东北林业大学博士研究生李晓娜，通讯作者为于海鹏教授和赵大伟教授。

图1. 结晶诱导分子组装策略设计

纤维素分子链在结晶诱导与离子络合作用下，表现出增强的网络致密化与定向组装趋势。多离子体系的引入不仅重排了纤维素分子间的氢键，还引导了纤维素链的组装聚集排列，形成致密、规整的分子网络结构。这种设计显著增强了Cry-gel的机械强度、韧性及耐高低温性能，展现出在可穿戴柔性电子、智能传感与热电器件等可持续便携应用中的巨大潜力。

图2. Cry-gel的结晶诱导组装机制

Cry-gel的形成机制源于结晶诱导下的纤维素分子定向组装。降温过程中，晶体定向生长推动纤维素分子排列靠近；晶体释放纤维素分子后，空气中的水分子渗入并与纤维素羟基形成氢键，同时促进水合离子与纤维素发生络合，进一步强化分子网络结构。FTIR、SAXS与SEM表征结果表明，Cry-gel中纤维素链间距减小、微结构更致密且离子分布更均匀。分子动力学模拟证实，双离子络合增强了纤维素–纤维素、纤维素–溶剂间的相互作用，使纤维素分子链呈现较卷曲构象进而形成紧密网络。这种由氢键与离子络合协同驱动的自组装机制，不仅赋予Cry-gel优异的力学性能，也同时提升了其电学性能与温度稳定性。

图3. Cry-gel的温度稳定性与自愈合性能

Cry-gel展现出优异的热稳定性与自愈性能。流变学分析表明，Cry-gel在高达95 °C时仍保持凝胶态，而LiBr gel超过65 ℃即转变为粘流态。DSC结果表明，Cry-gel的低温结晶温度达−71.59 °C。长期高温（80 ℃）与低温处理（–40 ℃）交替实验也证实Cry-gel具有较好的结构、尺寸稳定性。当温度超过130 °C时，Cry-gel转变为粘流态，但冷却后通过纤维素–Zn²⁺/Li⁺水合物络合及氢键网络的重建实现热可逆恢复。这种热可逆自组装赋予Cry-gel自愈能力，提升了材料的可持续使用与循环利用潜力。

图4. Cry-gel的力学性能与电学性能

通过对Cry-gel的力学与电学性能进行系统评估（图4），结果表明Cry-gel的极限拉伸应变可达150%，拉伸强度为2.3 MPa，压缩强度可达5.3 MPa，显示出吸引人的抗拉和抗压能力。同时，Cry-gel即使在高温80 °C、低温−40 °C下长时间暴露，仍保持较出色的机械力学性能。Cry-gel的离子电导率可达96.8 mS cm⁻¹，即使在极端温度与高湿环境下仍能保持良好的导电性能。得益于结晶诱导下的纤维素网络致密化以及双离子络合效应，Cry-gel兼具机械韧性、柔性与出色的离子传导性。

图5. Cry-gel在热电器件中的应用

凭借优异的力学性能、离子导电性及宽的工作温度范围，Cry-gel成为低品位热能采集、智能传感与柔性电子器件的理想候选材料。Cry-gel的Seebeck系数可达6 mV K⁻¹，热导率低至0.4 W m⁻¹ K⁻¹，在模拟太阳光照条件下展现出吸引人的结构稳定性与热电性能，显示出其在智能建筑及柔性热电器件中的巨大应用潜力。

图6. Cry-gel作为自供能传感器的潜在应用

Cry-gel作为自供能传感器，展示出多种外界刺激的快速、可识别的电信号反馈，包括弯曲、拉伸、压力、呼吸、触摸、温度、脉搏等。即使在手腕大幅弯曲下，Cry-gel仍能与皮肤紧密贴合，确保信号的可靠性和准确性。

总结与展望

该研究通过“双离子络合-结晶诱导组装”的协同策略，从分子尺度上实现了纤维素离子凝胶在力学性能、热稳定性、离子导电性能三者间的品质平衡。制备的Cry-gel同时展示出自修复、自适应及自供能特性，可用于热电转换和多模态传感。这一策略不仅适用于纤维素体系，也为其他可再生生物质材料设计高性能凝胶提供了新思路，有望在柔性电子、生物医疗、能量收集及极端环境装备等领域实现产业化拓展。

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