高性能彈性體在輪胎、密封件等工程領域需求迫切，但其固有的強度與回彈性難以兼得：傳統策略依賴高密度動態相互作用（如氫鍵、配位鍵）提升強度，卻因過度鏈纏結和熵增損失導致回彈性驟降。尤其在大變形后，材料殘留應變顯著，成為制約高端裝備發展的瓶頸。

中科院蘭州化學物理研究所王曉龍研究員、Jiang Pan、劉德勝助理研究員和受蜻蜓翅膀彈性蛋白（resilin）啟發，提出“低熵罰彈性體”設計理念。通過精準調控動態硬疇的尺寸（約37nm）、間距及均勻分布，在形變中實現硬疇解離（熵增↑）與軟段應變誘導結晶（SIC，焓減↓）的協同效應。熵焓補償機制顯著降低吉布斯自由能壘（ΔG = ΔH - TΔS），使材料同步實現88%超高回彈效率與80 MPa創紀錄拉伸強度，同時具備203 MJ/m3韌性及168.5 kJ/m2斷裂能。相關論文以Low-Entropy-Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin-Inspired Microphase Separation”為題，發表在Advanced Functional Materials上。

仿生微相分離結構

蜻蜓翅膀彈性蛋白的異質結構（圖1a）啟發了聚合物設計：通過氫鍵與配位鍵構建動態硬疇（圖1d），調控三種微相分離狀態（圖1b）。最優的SPU-DP25%材料（硬段占比25%）中，硬疇均勻嵌入軟鏈基質（圖1e），其強度與回彈性遠超文獻報道值（圖1f）。

圖1. 受蜻蜓角質層彈性蛋白啟發的可控聚氨酯微相分離示意圖。

分子相互作用驗證

紫外光譜顯示Zn2?濃度升高導致吸收峰紅移（423→470 nm），證實配位鍵增強（圖2a）。變溫紅外光譜（圖2b-c）及二維相關譜（圖2d）揭示氫鍵隨溫度升高逐步解離。分子動力學模擬（圖2g）表明SPU-DP25%硬段形成3.65個氫鍵/鏈段，內聚能達405.9 kcal/mol，硬疇分散性最優。

圖2. 幾種 SPU-DPx% 彈性體的微相分離結構演化。

硬疇尺寸精準調控

小角X射線散射（SAXS）測得SPU-DP30%、25%、20%的硬疇尺寸分別為49.2、37.0和41.3 nm（圖3a）。SPU-DP25%的散射峰強度與電子密度對比度最佳（圖3b），二維SAXS圖像（圖3d）及原子力顯微鏡（圖3e）證實其硬/軟相分布最均勻，熵罰（|ΔS|）最低。

圖3. 幾種 SPU-DP x% 彈性體的微相分離調控機制。

力學性能創紀錄

SPU-DP25%展現卓越綜合性能：拉伸強度81.7 MPa、斷裂伸長率679%、韌性203 MJ/m3（圖4a-b）。僅0.4克材料可舉起6公斤啞鈴（自重1.5萬倍，圖4c）。其斷裂能（168.5 kJ/m2）和抗穿刺力（68N）遠超同類材料（圖4h-i），DABA/PDH擴鏈劑摩爾比1:1時性能最優（圖4d）。

圖4. 不同 SPU-DP 彈性體的力學性能。

強韌化機制

密度泛函理論計算揭示配位鍵鍵能（87.98 kcal/mol）顯著高于氫鍵（14.61–22.99 kcal/mol）（圖5b）。原位SAXS/WAXS顯示：拉伸至300%應變時，硬疇逐步解離（熵增↑），同時軟段PTMEG發生SIC（q=14.3 nm?1處晶面衍射峰增強），釋放焓（ΔH↓）并形成可逆相界面（圖5c-g）。

圖5. SPU-DP 彈性體的強化與增韌機制。

超強回彈性機制

SPU-DP25%在100%應變下回彈率89%，殘留應變僅11%（圖6a）。即使300%大變形，仍保持89%回彈率（圖6e），且在25–110°C寬溫域及0.1–100Hz頻段內穩定性優異。原位分析表明：恢復過程中SIC界面釋放儲存的吉布斯能（ΔGs），補償熵損并驅動分子鏈重排（圖6g-i）。

應用前景

該研究首次通過熵焓補償機制破解彈性體“強度-回彈”互斥困境，所創低熵罰策略為高端裝備彈性元件（如航空密封件、超載輪胎）提供全新材料平臺。未來有望推動仿生彈性體在極端環境機械系統中的應用，助力我國重大工程裝備技術升級。

圖6. SPU-DP 彈性體的彈性性能及其內在機制。

來源：高分子科學前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！