基于低熵罰策略的仿生高彈性聚氨酯研究取得進展

聚氨酯分子結構由軟段與硬段交替共聚而成，其中硬段通過超分子組裝形成相對穩定的硬相，賦予材料優異的模量和強度，而軟段則通過構象調節提供長程形變能力，使聚氨酯具備良好的彈性。彈性體的彈性主要來源于熵彈性機制，即在拉伸過程中分子鏈從無序構象到有序排列時熵減少，形變釋放后系統恢復高熵狀態使分子鏈產生回縮力。然而，高強度與高回彈性的兼容始終面臨挑戰。傳統的增強策略，如引入高密度動態鍵、硬質填料或化學交聯，雖可有效提升強度，卻往往限制了鏈鍛的運動自由度，造成較大的熵罰——形變過程中不可逆的熵損失，從而抑制彈性恢復，導致永久變形。盡管氫鍵、配位鍵等動態鍵和硬質微區結構在增強彈性體韌性和強度方面有一定作用，但它們所帶來的鏈纏結和熵損失仍是實現高回彈性的關鍵障礙。因此，如何在分子設計上兼顧鏈段自由度與結構穩定性，實現聚氨酯彈性體高回彈性和高強度的協同統一，已成為高端工程領域亟待突破的核心難題。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所研究團隊受蜻蜓表皮中節肢彈性蛋白（Resilin）的啟發，通過精確設計動態硬域的尺寸、間距和均勻性，模擬Resilin的微相分離結構，從而在增強彈性體強度的同時最小化熵罰。基于這一原理，研究團隊開發出了一種兼具高彈性和高強度的低熵罰聚氨酯彈性體。

研究表明，動態硬域通過氫鍵和配位鍵的聚集形成，并有效的嵌入軟鏈中，從而誘導微相分離。研究人員通過設計不同的“剛柔并濟”聚合物網絡，可以創建具有明確尺寸、最佳間距和均勻聚集的動態硬域來精確控制微相分離狀態，從而有助于調節彈性體網絡的熵罰。在變形過程中，動態硬域逐漸解體，而軟鏈則發生應變誘導結晶，兩者之間建立了協同平衡。這種熵-焓補償機制通過最小化凈吉布斯自由能勢壘進行控制。在恢復過程中，可逆的應變誘導結晶面釋放儲存的界面吉布斯能以補償構象熵損失，從而促進分子重排。

研究人員通過機械性能測試證明，調控優化后的聚氨酯彈性體斷裂強度超過80MPa以上，該拉伸強度超過了目前報道過的大多數人工合成彈性體。此外，該優化的聚氨酯彈性體在短程應變下表現出超過90%的回彈效率，且在長程應變下超過88%，也超過了目前報道過的大多人工合成彈性體，在短程變形時甚至可與生物彈性蛋白相媲美。

上述研究深化了聚氨酯彈性體在力學強度、彈性提升方面的創新進展，為功能性彈性體機械在復雜工程場景中的應用奠定了基礎，有望推動其在輪胎、動態密封件、減震器防護材料等高端工程應用中的發展。

相關研究成果以Low-Entropy-Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin-Inspired Microphase Separation為題，發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院有關項目、甘肅省科技計劃等的支持。

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