華中科技趙龍課題組最新《中國科學：化學》：共晶凝膠功能化應用研究進展綜述！

深共晶溶劑（ DES）作為一種由氫鍵供體與氫鍵受體構成的新型綠色溶劑，憑借其制備簡便、成本低廉及物化性質可調等突出優勢，展現出廣闊的應用前景。以DES為關鍵組分構筑的共晶凝膠，不僅繼承了DES的優良特性，更融合了可拉伸性、高離子電導率、優異生物相容性及靈活的功能化設計能力，因而被視為有望替代傳統離子凝膠的新一代功能材料。

近日，華中科技大學電氣與電子工程學院趙龍教授團隊在《中國科學：化學》期刊發表題為《共晶凝膠的構筑及功能化應用研究進展》的綜述文章。該文系統梳理了功能化共晶凝膠的組成設計與構建策略，并重點評述了近年來該材料在三大前沿領域的研究與應用進展：（1）柔性電子器件中的多模態傳感應用；（2）能源轉化與存儲系統中的凝膠電解質；（3）生物醫學領域的藥物遞送及治療應用。通過對上述創新性研究的系統總結與深入分析，該綜述不僅為下一代可穿戴設備、仿生皮膚及軟體機器人的研發提供了新型材料基礎，也為綠色柔性功能材料的開發提供了重要的理論指導與技術支撐，具有顯著的科學意義與應用價值。論文第一作者為華中科技大學博士研究生陳宇曦。該研究工作獲得國家自然科學基金資助。

一、共晶凝膠的組成設計

導電相：DES的多樣化發展

DES由氫鍵供體（羧酸、酰胺、醇類等）與氫鍵受體（主要為季銨鹽）組成，目前已發展出五種類型：Ⅰ類（無水金屬鹵化物+有機鹽）、Ⅱ類（水合金屬鹵化物+氯化膽堿）、Ⅲ類（氯化膽堿+醇/酰胺/碳水化合物）、Ⅳ類（金屬鹵化物+有機配體）及Ⅴ類（非離子型溶劑）。近年來，天然DES（NADES）、疏水DES（HDES）、治療DES（THEDES）等新型體系的提出，進一步拓展了其在綠色化學、生物醫藥等領域的應用潛力。

圖1 DES的組成與分類

基體框架：合成高分子與生物質高分子

共晶凝膠是一種新型功能材料，其由DES與高分子聚合物復合而成。共晶凝膠基體的構成可分為兩類，其中合成高分子基包括：聚丙烯酰胺（PAAM）、聚丙烯酸（PAA）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）以及水性聚氨酯（WPU）等，作為共晶凝膠的基體框架結構可以實現共晶凝膠在柔性電子領域的應用。

圖2 (a) PAAM基共晶凝膠制備流程；(b) PAA基共晶凝膠制備實物圖；(c) PVDF-HFP基共晶凝膠分子構成；(d) WPU基共晶凝膠制備與組成；(e) WPU、PAA、PAAM基共晶凝膠制備與組成

生物質基高分子框架：生物質作為全球儲量最豐富的可再生資源，其顯著優勢在于分布廣泛且種類繁多。以纖維素、殼聚糖、瓊脂糖等為代表的天然高分子材料，憑借優異的生物相容性、環保性等特性，已成為開發綠色共晶凝膠體系的重要基礎原料。

圖3 (a) HPCS基共晶凝膠制備；(b) LCNF基共晶凝膠制備；(c) 木質素基DES凝膠電解質制備；(d) 纖維素基共晶凝膠制備；(e) CNC基共晶凝膠制備；(f)WS基共晶凝膠制備

二、共晶凝膠的構筑策略

當前共晶凝膠的建構主要采用三種路線：

策略一：DES作為溶劑相——將聚合物或聚合單體溶解于DES中形成凝膠。該方法簡便易行，但需考慮原料與DES的相容性。典型體系包括PVA/DES/CNCs/g-C?N?凝膠、PNAGA基共晶凝膠等，其力學性能可通過DES濃度調控。

策略二：可聚合DES（PDES）——將聚合單體作為DES組分，原位引發聚合。2016年Isik等提出DES單體（DEMs）概念，后續研究發展了ChCl-AA二元DES光聚合體系，揭示了氫鍵相互作用對C=C雙鍵活性的影響機制。

策略三：超分子自組裝——基于可逆非共價鍵相互作用，小分子在DES中自主裝形成凝膠。例如：硫辛酸在疏水DES中的開環聚合、鳥苷-H?BO?配合物在DES中的凝膠化等研究，為構建無水介質中的功能性超分子凝膠提供了新路徑。該類材料具有優異的熱穩定性、抗凍性及自修復性能，但機械強度相對較低。

圖4 (a1) EG / ZnCl2為溶劑制備共晶凝膠；(a2) DES為溶劑制備PNAGA基共晶凝膠；(a3)ChCl / Gly為溶劑制備共晶凝膠；(b1) ChCl基可聚合DES制備共晶凝膠；(b2) ChCl / AA光引發聚合制備共晶凝膠；(b3) ChCl / AM熱引發聚合制備共晶凝膠；(b4)可聚合氫鍵受體與Urea光引發聚合制備共晶凝膠；(c1) ChCl / M-DES自組裝制備超分子共晶凝膠；(c2) DES / (PEDOT : PSS)作為3D打印油墨制備超分子共晶凝膠；(c3) ChCl / DBS自組裝制備超分子共晶凝膠

三、性能調控策略

為拓展共晶凝膠在傳感、能源存儲、生物醫學等領域的應用范圍，按需對共晶凝膠進行功能化設計，通過物理、化學方法調控其組成、結構和性能，顯著提升共晶凝膠的環境適應性、功能多樣性和實際應用價值。目前主要的改性策略可分為以下兩類：

物理改性法主要通過反復凍融、溶劑置換、蒸發誘導等手段，通過調控共晶凝膠內部的分子間作用力對凝膠三維網絡結構的精準設計，最終實現材料機電性能的定向提升。

在共晶凝膠的改性策略中，化學改性法通過定向引入功能性基團或功能性單體，借助化學鍵合、接枝共聚等化學反應調控凝膠體系的化學組成與網絡交聯狀態，重構凝膠的化學結構與分子作用機制，以此實現對共晶凝膠性的顯著優化與提升。

四、關鍵性能優化

共晶凝膠的功能化設計，核心在于打破材料性能之間的傳統權衡，實現多種特性的協同增強。通過精巧的組分設計，如引入特定氫鍵供/受體或功能性離子，可在提升其離子電導率的同時，構筑更為動態、穩定的三維網絡，從而同步增強材料的機械強度與韌性。這種基于離子傳輸路徑與分子間作用力的協同調控，進一步賦予了共晶凝膠卓越的自愈性能：受損的氫鍵網絡可在外界刺激下可逆重組，實現結構與功能的自主恢復。此外，得益于DES本身良好的生物相容性基礎，共晶凝膠可通過整合天然高分子或生物活性分子，在復雜生理環境中保持優異的細胞相容性與組織親和力，甚至實現降解行為的精準調控。由此可見，共晶凝膠的獨特價值，不僅在于其單一性能的優化，更在于它能夠將高電導、高機械強度、自愈性及生物相容性等多重功能一體化集成，有望為柔性電子與生物醫療等領域開辟一條新的路徑。

圖5 (a1) PSDIC-gel 導電凝膠雙離子通道；(a2) LA-DES凝膠增強導電性示意圖；(b1) TA@CNC基共晶凝膠增強機械性能；(b2) PDES超柔性共晶凝膠；(c1) 咪唑基DES凝膠自修復過程；(c2) 磺化木質素基共晶凝膠制備及自修復過程；(d1) CTM-DES凝膠抗菌機制；(d2) 二元DES凝膠抗菌性與生物相容性；(d3) 鋅離子基共晶凝膠抗菌性

五、功能化應用進展

（一）柔性傳感材料

對于應變、壓力等柔性傳感器而言，其性能核心在于材料如何將機械形變高效轉換為電信號。該過程本質上受制于材料的微觀結構：外部拉伸通過延長離子傳輸路徑與擾亂傳導通道，直接影響電阻變化。因此，共晶凝膠在傳感領域的優異機電性能，源于其精心的結構設計——高電導率與高回彈性的一體化構建，這正是實現高靈敏度、快速響應、寬工作范圍與長耐久性的關鍵。近年來，通過構建具有優異抗疲勞性、一定的粘附性和高離子電導率的共晶凝膠已在醫療健康監測、可穿戴設備和人機交互等領域展現出廣闊的應用前景。

圖6 (a) P(AA-co-LMA)基共晶凝膠用于低溫下監測運動并傳輸加密信息；(b) PVA-PAA-PDA-DES 共晶凝膠與AI結合構建肩痛監測-光熱治療閉環系統；(c)共晶凝膠用于非接觸式信息寫入和傳輸、運動監測、無線通信和人機交互；(d) DLPD共晶凝膠用于應變、溫度傳感；(e)疏水性共晶凝膠用于水下運動監測；(f) poly NCMA / LiTFSI共晶凝膠用于應變、溫度傳感

（二）能源轉化與儲存

在能源轉化領域，環保型深共晶溶劑（DES）因其低成本、優異的溶劑化能力、高離子電導率及寬溫域適應性等綜合優勢，已被成功應用于熱電材料與摩擦納米發電機的構筑。熱電材料基于Soret效應實現溫差發電：在溫度梯度驅動下，共晶凝膠內部的陰陽離子發生定向解離與遷移富集，陽離子向低溫端移動，從而誘導產生熱電勢。摩擦納米發電機則依托摩擦起電與靜電感應的耦合機制，將機械能高效轉換為電能。作為TENG的關鍵功能材料，共晶凝膠的離子電導率與機械柔性對其器件性能具有決定性影響。

圖7 (a) CNF / DES 共晶凝膠用于熱電轉化；(b) CTM-DES共晶凝膠用于低溫余熱回收；(c)含水共晶凝膠作為離子熱電池；(d) PDMS共晶凝膠用于機械能轉化；(e)定向二維納米片共晶凝膠用于TENG；(f) GLCL共晶凝膠制備為TENG

在能源儲存方面，共晶凝膠可作為高性能相變材料用于熱能存儲。相較于傳統水凝膠，其熱性能優勢顯著，主要源于凝膠基質與DES協同賦予的高熱穩定性。該類材料可在寬溫度范圍內維持結構完整性與功能穩定性，并具備多重因素調控的熱響應特性，能夠根據溫度變化靈活調節其物理化學行為，從而拓展應用場景。當DES處于最低共熔點時，體系在相變過程中釋放或吸收大量潛熱，同時保持宏觀形狀不變。這種“固-液-膠”三相共存結構，兼具相變材料的高儲熱密度與凝膠的形狀穩定性，有效規避了傳統相變材料熔融后易泄漏的固有缺陷。對于電化學儲能系統通常由電極材料、電解質和集流體構成。其中，電解質作為關鍵組分之一，需具備良好的電極相容性、高離子電導率及優異的熱/電化學穩定性。相較于水凝膠，共晶凝膠展現出更寬的電化學窗口；與有機凝膠及傳統離子液體相比，則具有更優的經濟性與環境友好性。因此，近年來共晶凝膠被廣泛研究作為固態電解質，用于構筑超級電容器和鋅離子電池等電化學儲能器件。憑借其寬電化學窗口、高離子電導率以及卓越的機械柔性，共晶凝膠完美契合高效能源器件對關鍵材料的核心要求，在構建下一代高安全、高性能的能量存儲與轉換系統中展現出顯著優勢。

圖8 (a) 共晶凝膠用于相變儲熱[119]；(b) 共晶凝膠用于太陽能儲存；(c) CNF基共晶凝膠用于電能儲存；(d) PAM-PDA基共晶凝膠制備超級電容器；(e) PAA-DES作為FZAB電解質；(f) PVA-ZDES共晶凝膠作為電解質

（三）生物醫學應用

共晶凝膠形成的三維網絡結構可以限制藥物分子的運動，減少藥物分子與完結環境因素接觸，此外DES的氫鍵供體與受體會與藥物分子產生相互作用，可以固定藥物分子的構象以保證藥物分子活性的保持。DES與其他溶劑相比，可通過組分篩選增強其生物相容性、生物降解性和促滲透性，功能化共晶凝膠解決了傳統藥物遞送系統在擴散性和滲透性方面的局限性，為藥物遞送、傷口敷料、炎癥治療等領域提供了新的治療選擇。

圖9 (a) THEDES凝膠用于局部藥物遞送；(b) 酮洛芬負載到共晶凝膠用于載藥研究；(c) 雙網絡共晶凝膠輔助電刺激療法促進傷口愈合；（d） 共晶凝膠促進傷口愈合；(e) 鋅基共晶凝膠促進傷口愈合；(f) DES-CS / GP用于牙周炎治療；(g) 自組裝共晶凝膠促進小分子藥物滲透

六、挑戰與展望

盡管共晶凝膠前景廣闊，但仍面臨三大挑戰：

挑戰一：電導率與機械性能之間的平衡難以實現。高交聯密度雖增強結構穩定性，卻會限制離子遷移。

挑戰二：目前主要基于均勻塊狀結構構建，限制了協同性能的發揮。

挑戰三：長期植入人體可能引發炎癥反應，生物相容性與免疫響應問題需進一步探究。

未來研究方向包括：優化組分設計，深入解析多重相互作用機制；突破傳統制備方法，引入3D打印、靜電紡絲、輻射誘導聚合等先進技術；融合人工智能方法，借助機器學習實現性能預測與配方篩選。

從深共晶溶劑到共晶凝膠，從基礎研究到應用探索，這一新興功能材料正以其獨特魅力吸引著越來越多研究者的目光。在柔性電子、能源存儲、生物醫學等前沿領域，共晶凝膠有望書寫屬于自己的精彩篇章。正如綜述作者所言：“共晶凝膠的構建與功能化是深共晶溶劑工程化應用的關鍵環節。”我們期待看到更多創新成果從實驗室走向應用，為人類生活帶來更多便利與可能。