竹子启发的超强效、可回收且可3D打印的超分子凝胶,用于冲击保护和刺激响应驱动

最近柔性器件、智能软体机器人对凝胶材料的要求越来越高 —— 既要超强韧、耐极端温，又要3D 打印可定制、自修复、可回收，但传统水凝胶易脱水脆裂、离子凝胶成本高、低共熔凝胶力学弱、加工受限，一直卡在 “强度 - 韧性 - 加工性” 难以兼顾的死胡同。

今日分享一篇AFM 2026 最新高能工作：Bamboo-Inspired Ultra-Strong, Recyclable, and 3D Printable Supramolecular Eutectogels for Impact Protection and Stimuli-Responsive Actuation。受竹子多级结构与多组分协同启发，研究团队构建超分子低共熔凝胶（PCLT）：拉伸强度 17 MPa、韧性 64.5 MJ/m³，攻克低共熔凝胶强度 - 韧性 trade-off难题；同时实现一步 3D 打印、抗冻、自修复、水响应可回收、离子可调耐水性，在航空航天缓冲、人工肌肉、智能传感领域潜力巨大。

摘要

可聚合低共熔溶剂（PDES）凝胶作为水凝胶的可持续替代材料，具备优异的环境耐受性与生态环保优势。但力学脆性、合成工艺复杂、制备方式有限等问题，严重制约了其在柔性器件领域的应用。本文受竹子层级结构与多组分协同作用的启发，通过多跨尺度非共价相互作用，将刚性骨架与能量耗散相动态复合，构筑出具有层级结构的超分子低共熔凝胶。微晶纤维素作为刚性骨架、木质素作为能量耗散相，海藻糖强化氢键网络，三者借助长链 PDES 聚合物网络（类半纤维素结构）实现动态互联，构建出各向同性仿生结构，复刻了天然木质纤维素的多组分组成与层级排布特征。该超分子低共熔凝胶可一步 3D 打印成型，兼具超高拉伸强度（17 MPa）、优异韧性（64.5 MJ/m³）与强粘附性能（480 kPa）。此设计突破了传统低共熔凝胶强度 - 韧性相互制约的瓶颈，同时赋予材料抗冻、自修复、可回收特性，还具备高效动态能量耗散、稳定形状记忆及离子可调耐水性。该材料已在抗冲击结构、人工肌肉、智能逻辑开关中完成应用验证，在航空航天吸震、新一代智能器件领域具备广阔应用前景。本研究通过仿生超分子设计与简易制备策略，为高性能低共熔凝胶的开发开辟了全新范式。

设计灵感

天然竹材的优异力学，来自三大组分协同：

微晶纤维素（刚性骨架）
木质素（能量耗散相）
半纤维素（动态桥接）

研究团队直接复刻这套逻辑：

MCC：提供刚性增强与应力分散
木质素：π–π 堆积实现高效能量耗散
海藻糖：强化氢键网络
长链 PDES（AA‑ChCl）：模拟半纤维素，动态互联全网络

性能卓越

拉伸强度：17 MPa
韧性：64.5 MJ/m³
−50 °C 抗压强度：820 MPa
应变速率强化：高速冲击下快速变硬
宽温域稳定：−40~120 °C 性能可调
强粘附：对树脂、金属、玻璃、陶瓷等通用基底强粘结
室温自修复：6 h 恢复 59% 强度
纯水可回收：溶解‑重铸循环，保留 64% 强度
离子可调耐水：Al³⁺配位实现水中 7 天不溶解

图解

图1 仿竹超分子共晶凝胶的设计灵感与一步光固化 3D 打印策略。(a) 竹子的多尺度结构与组成组分。(b) 一步光固化 3D 打印策略、多尺度非共价交联网络示意图，以及 PCLT 共晶凝胶与现有先进凝胶材料多功能性能对比雷达图 [10,14,25]。

图2 仿竹超分子共晶凝胶的表征(a) 不同共晶凝胶的截面 SEM 形貌图；(b) 凝胶基质中微晶纤维素（MCC）微观结构的偏光显微镜图；(c) PCLT 共晶凝胶及对照组的 XRD 衍射图谱；(d) 所制备凝胶在 200–800 nm 波段的紫外吸收光谱；(e) 所制备凝胶在 380–780 nm 波段的荧光发射光谱；(f) PCLT 共晶凝胶及其对照组的透光性能对比；(g) 四种凝胶样品的傅里叶红外（FTIR）光谱；(h) PAA、PC、PCL 及 PCLT 共晶凝胶的高分辨 O 1s XPS 谱图；(i) 20 ℃、0.5% 应变条件下，PCLT 共晶凝胶在 0.1–100 Hz 频率范围内的储能模量（G′）、损耗模量（G″）及损耗因子（tanδ）；(j) 1 Hz、0.5% 应变条件下，PCLT 共晶凝胶在−40 ℃~120 ℃温度区间内的储能模量（G′）、损耗模量（G″）及损耗因子（tanδ）；(k) PCLT 共晶凝胶与对照组 PAA 水凝胶在−70 ℃~20 ℃范围内的 DSC 曲线；(l) PCLT 共晶凝胶及对照组在 30 ℃~600 ℃范围内的热稳定性测试曲线。

图3 PCLT 共晶凝胶的力学性能(a) 共晶凝胶在不同拉伸速率下的拉伸应力 - 应变曲线；(b) 对应的模量与韧性。(c) PCLT 共晶凝胶在不同温度下的拉伸应力 - 应变曲线。(d) PCLT 共晶凝胶在不同温度下的压缩应力 - 应变曲线；(e) 对应的模量与韧性。(f) PCLT 共晶凝胶柱在低温（−50 ℃）下的可压缩性及回复性能。(g) PCLT 与已报道其他共晶凝胶、离子凝胶的应力及韧性对比。(h) PCLT 共晶凝胶穿刺测试的力 - 位移曲线（速率 50 mm/min）。(i) PCLT 共晶凝胶薄膜的抗穿刺性能实物演示。(j) PCLT 共晶凝胶条可拉起自身重量 50000 倍的重物。(k) PCLT 共晶凝胶的抗开裂性能；(l) 对应的拉伸实物照片。

图4 PCLT 共晶凝胶的多功能性能(a) PCLT 共晶凝胶对多种基底的粘附效果。(b) PCLT 共晶凝胶在不同基底上的粘附强度曲线。(c) PCLT 共晶凝胶样品的自修复过程；(d) 原始状态与自修复后样品的拉伸强度曲线。(e) 3D 打印 PCLT 共晶凝胶的可回收性；(f) 回收前后对应的力学性能曲线。(g) 铝离子触发 PCLT 共晶凝胶由水溶性向水不溶性转变；(h) 浸水七天前后对应的力学性能曲线。

图5 3D 打印 PCLT 共晶凝胶的高速冲击与吸能性能(a) PCLT 共晶凝胶 ** 分离式霍普金森压杆（SPHB）** 测试系统示意图。(b) PCLT 共晶凝胶在不同应变率下的冲击应力 - 应变曲线；(c) 对应的峰值应力与冲击韧性。(d) 落钢球冲击实验装置示意图。(e) PCLT 共晶凝胶防护下的玻璃受钢球冲击后保持完好的实物照片。(f) 3D 打印 PCLT 共晶凝胶点阵结构作为吸能构件的演示。(g) 无防护与 PCLT 共晶凝胶点阵结构防护条件下玻璃球回弹高度对比实拍图。(h) 3D 打印吸能构件防护鹌鹑蛋免受冲击破碎的实物演示。(i) 3D 打印蜘蛛网构型 PCLT 共晶凝胶可承受 225 g 钢球的冲击作用

图6 PCLT 共晶凝胶的形状记忆功能及应用演示(a) PCLT 共晶凝胶的形状记忆功能演示。(b) 共晶凝胶条经加热后可吊起 50 g 重物的实物图。(c) 人体手臂骨骼与肌肉组成结构示意图。(d) 将 PCLT 共晶凝胶组装于人体骨骼模型上，实现手臂弯曲形变。(e) 温 - 水双触发型 PCLT 共晶凝胶智能逻辑开关系统的逻辑规则表；(f) 对应的电路原理图及系统运行实物图。

结论

综上，本文报道了一种仿竹超分子共晶凝胶（PCLT），通过动态非共价相互作用构筑，并结合一步光固化 3D 打印工艺制备而成。该设计仿生竹子的层级结构与多组分协同机制：以刚性微晶纤维素为骨架、木质素衍生物实现能量耗散、海藻糖强化氢键网络，再经 PDES 聚合物链相互交联，突破了传统共晶凝胶在力学性能、可加工性及多功能性方面长期存在的瓶颈。PCLT 共晶凝胶展现出优异的力学协同效应，兼具超高拉伸强度（17 MPa）、卓越韧性（64.5 MJ/m³）以及超高压缩强度（−50 ℃下达 820 MPa），有效打破了传统材料强度–韧性倒置制约。其动态网络赋予材料自适应力学特性，具备冲击硬化、温度可调刚度及可逆形状记忆性能。同时该材料集多种功能于一体：基底粘附、自修复、可循环利用、高离子电导率（20 mS/m）以及离子可调耐水性。依托温响应形状记忆与离子调控溶解特性，该材料可构建双输入智能逻辑开关，还能制备仿生驱动人工肌肉，在智能传感与驱动领域具备良好应用前景。本研究为高性能软质材料开辟了全新设计范式，证实天然仿生超分子设计结合可规模化 3D 打印技术，能够解决关键的材料性能制衡难题，可拓展应用于航空航天减震、智能传感、新一代软体机器人及可穿戴驱动器等诸多实际场景。

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