共晶凝胶因其环保特性、耐极端温度及成本效益，已成为柔性电子领域可持续的替代材料。然而，其在变形条件下易发生裂纹扩展的特性，严重限制了其在实际工程中的应用，为了提升共晶凝胶在实际应用中的可靠性和耐久性，亟需开发一种对缺陷不敏感、即即使存在较大裂纹也能保持性能的新型共晶凝胶材料。
据此，郑州轻工业大学张晓静教授团队报道了一种利用多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS) 作为多功能交联剂，设计了一种新的抗裂纹纳米复合共晶凝胶，其中包含非均质聚合物网络和刚性纳米颗粒核。由此得到的基于 POSS 的共晶凝胶表现出1.19 cm的厘米尺度断裂内聚长度，这是合成共晶凝胶有史以来最高的，并且具有高的断裂韧性为 3934 J/m2。值得注意的是，经过1000 次拉伸循环后，基于POSS的共晶凝胶的切口几乎保持不变。这种非凡的抗裂纹能力源于构建的非均质网络和刚性纳米颗粒核之间的协同机制。此外，基于 POSS 的共聚凝胶具有低滞后性、强附着力和抗冻性能 (最高可达-40℃)。基于这种共聚凝胶的柔性传感器在环境和低温下都表现出稳定的应变响应。
相关研究论文以“A universal strategy for flaw-insensitive nanocomposite eutectogels with centimeter-scale fractocohesive length using multi-crosslinkable polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)”为发表在国际知名期刊《Composites Part B-Engineering》上。郑州轻工业大学材料与化学工程学院樊凯奇副教授为论文第一作者兼通讯作者，硕士研究生杨文通为论文第二作者，杨皓然副教授、张晓静教授为论文通讯作者。
示意图1. (a) 基于 POSS 的共晶凝胶网络抗撕裂的示意图。 (b) 基于 POSS 的共晶凝胶抗撕裂拉伸图（切口长度=0.5 mm）。 (c) 常规共晶凝胶网络抗裂纹失败的示意图。 (d) MBA 基共晶凝胶和 PEGDA 基共晶凝胶抗撕裂失败拉伸图（切口长度=0.5 mm）。
图1. (a)采用不同交联剂的完整共晶凝胶应力-应变曲线。(b)采用不同交联剂且具有2毫米切口的共晶凝胶应力-应变曲线。(c)不同交联剂的共晶凝胶断裂伸长率与断裂功。(d)不同切口长度POSS基共晶凝胶的应力-应变曲线（C为切口长度）。(e) POSS基共晶凝胶不同切口长度下的断裂韧性。(f)经1000次拉伸循环后POSS基共晶凝胶的对比（切口长度=2 mm）。(g) 二维小角X射线散射图谱：i) MBA基共晶凝胶，ii) PEGDA基共晶凝胶，iii) POSS基共晶凝胶。(h)不同共晶凝胶的SAXS光谱。 (i)不同共晶凝胶的晶格间距。 (j) POSS基共晶凝胶在不同应变下的加载与卸载曲线。(k) POSS基共晶凝胶在10次加载-卸载循环中的弹性模量与滞后比。
图2.共晶凝胶分子尺度增韧机制的分子动力学模拟。（a）应力-应变曲线。（b）POSS基共晶凝胶的拉伸过程。（c–f）POSS基共晶凝胶界面相互作用机制的瞬态图像。
图3. (a)基于POSS的共晶凝胶附着于人体皮肤及其他材料的照片。(b)基于POSS的共晶凝胶搭接剪切试验示意图。(c)基于POSS的共晶凝胶附着于不同基材的粘附机制。
图4. (a) POSS基共晶凝胶在-40℃环境下放置24小时后初始、折叠、扭曲及拉伸状态下的照片。(b) POSS基共晶凝胶在25℃环境下放置24小时后的初始、折叠、扭曲及拉伸状态照片。(c) POSS基共晶凝胶在-40℃、25℃和60℃下的应力-应变曲线。(d) POSS基共晶凝胶在不同温度下的电导率。(e) POSS基共晶凝胶在-40℃、20℃和25℃下连接二极管的照片。(e) POSS基共晶凝胶在-40℃、20℃和25℃下连接二极管的照片。
图5.共晶凝胶应变传感器的传感性能（25℃与-40℃）：(a)不同应变范围下的GF值。(b)小应变（5%、10%、20%）。(c) 大应变（100%、200%、300%）。(d)100%应变下200次循环测试。(e)不同弯曲角度的手指（30°、60°、90°）。(f)膝关节运动与肘关节运动。
总结与展望：
综上所述，本研究以POSS作为多功能交联剂，合成了具有高度缺陷不敏感性的纳米复合共晶凝胶。该共晶凝胶具有聚合物网络结构，包含非均匀聚合物网络和刚性纳米粒子核。基于POSS的共晶凝胶展现出1.19厘米的断裂内聚长度和3934 J/m²的高断裂韧性，这两项指标均比大多数共晶凝胶和水凝胶高出一个数量级以上。此外，这种高缺陷容错性共晶凝胶还具有低滞后性、强粘附性和抗冻性（-40℃）。其前所未有的缺陷容错性源于“非均匀网络-刚性纳米核”结构的协同抗裂性能。具体而言，网络中的链富集区构成抵抗裂纹尖端应力的第一道屏障，而纳米尺度刚性POSS则作为第二道屏障进一步抵抗应力并阻止裂纹扩展。本研究进一步证明，这种合成抗缺陷纳米复合共晶凝胶的策略可轻松推广至其他共晶凝胶体系。在应用层面，该缺陷不敏感纳米复合共晶凝胶可用于制造柔性传感器，在常温与低温环境下均能展现稳定的应变响应特性。同时期待这类共晶凝胶能在柔性应变传感器及软体机器人领域获得应用。
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