凝胶材料在柔性电子、软体机器人和生物医学领域具有重要的应用前景，这要求材料具有良好的承载能力与尺寸稳定性。然而，传统凝胶材料普遍存在强度、刚度与韧性相互制约的固有问题。例如，提高交联度可以有效增强材料的强度与刚度，但会缩短分子链段，降低断裂能，从而牺牲材料的韧性。因此，如何整合多种增强机制并使其协同发挥作用，实现凝胶材料力学性能的全面提升，对凝胶材料的发展具有重要意义。

 图1 低共熔凝胶的设计、制备与力学性能

 针对上述问题，研究团队提出了一种多尺度调控策略。如图1所示，将定向退火与低共熔溶剂（DES）介导的溶剂交换过程相结合，在多个尺度实现精准结构调控，包括分子尺度的氢键作用表达、纳米尺度的结晶域形成以及微米尺度的取向网络构建。利用这种多尺度调控方式，构建了高力学性能的各向异性聚乙烯醇（PVA）低共熔凝胶，其沿取向方向的拉伸强度达62.2 ± 1.8 MPa，杨氏模量为355.3 ± 32.9 MPa，韧性达179.0 ± 11.1 MJ m^-3。同时，该凝胶还具备优异的抗撕裂和抗裂纹扩展性能。

图2 低共熔凝胶的能量耗散和抗冲击性能

 得益于多尺度结构的协同作用，低共熔凝胶表现出了优异的能量耗散能力（图2）。当材料受外力作用时，能量耗散来自三个尺度的协同贡献：分子尺度上的氢键断裂、纳米尺度上的结晶域形变，以及微米尺度上的分子链取向增强与链间摩擦作用。循环拉伸测试表明，材料可以有效地耗散能量。落球与穿刺测试验证了材料良好的抗冲击能力，动态冲击测试进一步显示，其防护效果优于多款商用材料。低共熔凝胶依靠刚度、韧性与阻尼的协同作用高效吸收冲击能量，有望应用于冲击防护领域。

 图3 多尺度调控策略的普适性

 多尺度调控策略对不同DES具有普适性。选用氯化胆碱搭配多种多元醇制备不同DES并与定向退火后的水凝胶进行溶剂交换，可以构建一系列高力学性能各向异性低共熔凝胶。图3的结果表明，多元醇的碳链长度、羟基数及同分异构结构，会改变溶剂作用强弱，进而影响PVA分子间氢键含量与结晶度，材料拉伸强度、模量及韧性也随之提升。此外，多尺度调控策略不仅适用于不同的DES体系，也可以进一步拓展至有机溶剂与离子液体体系，同样可以得到高力学性能的各向异性凝胶材料，证明该策略具有良好的通用性。

 综上，该研究结合定向退火与DES介导的溶剂交换，提出多尺度调控策略，制备出高强高韧的各向异性PVA低共熔凝胶，有效解决了传统聚合物凝胶强度、刚度与韧性相互制约的问题，为高性能凝胶材料设计提供了参考。相关研究以“Multi-scale structural engineering enables ultra-strong and tough eutectogels”为题发表在《Nature Communications》上。第一作者为高精尖中心博士生唐宁，通讯作者为青岛科技大学张浩副教授、中国石化（上海）石油化工研究院有限公司张藕生研究员与高精尖中心胡君教授。该研究工作得到了北京市自然科学基金-小米创新联合基金和中央高校基本科研业务费的资助，感谢所有合作者对该研究工作的贡献。

 文章信息：

Ning Tang, Yanlong Yin, Hao Zhang,* Jianhua Tang, Ousheng Zhang,* Jigang Yang, Jun Hu*. Multi-scale structural engineering enables ultra-strong and tough eutectogels. Nature Communications (2026) https://doi.org/10.1038/s41467-026-74246-y.

 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-74246-y