高性能彈性體在輪胎、密封件、減震器等眾多工程領域中起著至關重要的作用。它們的形變恢復主要依賴于熵彈性原理，即分子鏈在拉伸過程中從無序構象到有序排列轉變時熵減少，形變釋放后系統恢復高熵狀態使分子鏈產生回縮力，同時，彈性體還需要具備足夠的強度以承受外部載荷。然而，長期以來一個關鍵矛盾依舊存在：“強則脆，彈則弱”。而傳統提升強度的策略，如引入高密度動態鍵、硬質填料或交聯，往往限制了分子鏈的運動自由度，造成顯著的“熵罰”，即形變過程中的不可逆熵損失，進而降低彈性恢復能力，最終導致永久變形。 盡管氫鍵、配位鍵等動態鍵和硬質微區結構能夠增強彈性體的韌性和強度，但它們對鏈纏結和熵損失的影響始終是限制回彈性的瓶頸。

為了解決上述問題，中國科學院蘭州化學物理研究所王曉龍研究員團隊將視線轉向了自然界的高性能材料——蜻蜓表皮中的節肢彈性蛋白（Resilin）。這種蛋白因其極低的剛度、巨大的應變能力以及卓越的彈性特性而廣為人知，是昆蟲實現飛行、跳躍等能力的關鍵。而這種獨特的結構特征在于其異質相分離結構。受此啟發，研究人員提出了一個關鍵假設：是否可以通過精確設計動態硬域（Dynamic Hard Domains）的尺寸、間距和均勻性，從而像Resilin一樣調控微相分離狀態，以便在增強材料強度的同時最小化熵罰。基于這一仿生理念，團隊提出了一種低熵罰設計策略（圖1），成功開發出兼具高強度、高回彈性以及優異韌性的彈性體。具體來說，通過構建具有最佳尺寸、間距和均勻聚集的動態硬結構域來調節微相分離狀態。因此，所提出的彈性體表現出超過 88% 的彈性恢復效率和超過 80 MPa 的拉伸強度。此外，最優彈性體還具有優異的韌性、超高的斷裂能和卓越的抗穿刺性。因此，這種控制微相分離的低熵罰策略成功解決了彈性體彈性和強度之間的內在矛盾，為功能性彈性體在輪胎、動態密封件、減震器防護材料等高端工程場景中的應用奠定了基礎。

圖1. 受蜻蜓角質層中彈性蛋白啟發的可調聚氨酯彈性體微相分離示意圖

作者通過紫外-可見吸收光譜、變溫FTIR 光譜、二維相關紅外光譜、發射光譜以及全原子分子動力學 （MD） 模擬等多種技術手段（圖2），系統揭示了三個SPU-DP_X%體系中動態相互作用的形成過程與動態特性。同時研究表明，聚氨酯彈性體中聚合物鏈的動態相互作用可通過調控SPU-DP_X%體系中硬段和軟段的比例，從而調整聚合物網絡的剛性與柔性來實現性能優化。

圖2. 三種SPU-DP x%體系中微相分離結構演變的動態相互作用差異

此外，利用小角 X 射線散射（SAXS）和原子力顯微鏡（AFM）（圖3）對SPU-DP_x%彈性體的微觀結構演變進行了深入分析研究。結果表明，通過調節 SPU-DP_x% 中軟硬鏈段的比例，進而調控其形成的動態硬相域結構，可實現對彈性體中微相分離程度的有效控制。

圖3. 三種SPU-DP_x%彈性體的微相分離的精準調控

低熵懲罰彈性體（SPU-DP_25%）具有較小且更均勻的動態硬質域，表現出了優異的機械抗拉強度。其拉伸強度超過了80MPa，遠超目前所報道的大多數彈性體材料，并且同時還具備優異的韌性、抗撕裂性和抗穿刺性（圖4）。

圖4. 三種SPU-DP_x%彈性體的力學性能

利用原位SAXS/WAXS對SPU-DP_25%形變過程中的微觀結構演變進行分析（圖5），結果表明，其分層相互作用構建了一個均勻的動態硬結構域，有效模擬了蜻蜓角質層中Resilin 的逐級能量分布機制。其在拉伸過程中，動態硬域逐漸解離，而軟鏈段同時發生應變誘導結晶（SIC） 現象。硬結構域的破壞促使構象熵（ΔS↑）的增加，而 SIC 通過晶格有序效應釋放焓（ΔH↓）。這種相互競爭而協同的熵-焓補償機制，能夠協同降低凈吉布斯自由能勢壘（ΔG = ΔH – TΔS），并提高拉伸強度。

圖5. SPU-DP_25%彈性體的強化與增韌機制

在相同應變處，SPU-DP_25%具有更加的高回彈效率，達到了89%，超越了目前所報道的大多數人工合成彈性體材料，在短程形變時可與生物彈性蛋白相媲美。此外，利用原位 SAXS、 WAXS和AFM 拉伸循環分析揭示了其具有優異的彈性恢復機制（圖6）。即在恢復過程中，SIC 形成的可逆相界面的界面吉布斯自由能（ΔG）被釋放出來。吉布斯自由能的變化可以表示為（ΔG = ΔGs +ΔH − TΔS）。這種能量釋放機制通過補償構象熵損失（-TΔS），促進分子鏈的重排，協同減少能量耗散，并促進熱力學自我調節的彈性恢復。

圖6. SPU-DP_x%彈性體的彈性與恢復機制

相關研究工作目前以“Low-Entropy-Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin-Inspired Microphase Separation”為題目發表在《Advanced Functional Materials》上，中國科學院蘭州化學物理研究所博士研究生白常成為論文第一作者，中國科學院蘭州化學物理研究所劉德勝青年研究員、蔣盼博士（現于法國Institut Jacques Monod從事博士后研究）、王曉龍研究員為通訊作者。

該研究得到國家重點研發計劃項目、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金項目、甘肅省科技計劃、中國科學院特別研究助理資助項目、蘭州化物所重點培育項目等項目的支持。

文章信息：Changcheng Bai, Xingxing Yang, Jiayu Wu, Yixian Wang, Danli Hu, Zhongying Ji, Desheng Liu*, Pan Jiang*, Xiaolong Wang*, Low-Entropy-Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin-Inspired Microphase Separation, Adv. Funct. Mater. 2025, e10053.

全文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202510053

研究團隊簡介：