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(wěn)定的硬相，賦予材料優(yōu)異的模量和強度，而軟段則通過構象調節(jié)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(tǒng)恢復高熵狀態(tài)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(zhàn)。傳統(tǒng)的增強策略，如引入高密度動態(tài)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(tài)鍵和硬質微區(qū)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(wěn)定性，實現聚氨酯彈性體高回彈性和高強度的協同統(tǒng)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(jié)肢彈性蛋白（Resilin）的啟發(fā)，通過精確設計動態(tài)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?；谶@一原理，研究團隊開發(fā)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(tài)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(chuàng)建具有明確尺寸、最佳間距和均勻聚集的動態(tài)硬域來精確控制微相分離狀態(tài)，從而有助于調節(jié)彈性體網絡的熵罰。在變形過程中，動態(tài)硬域逐漸解體，而軟鏈則發(fā)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(yōu)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(yōu)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(chuàng)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(tài)密封件、減震器防護材料等高端工程應用中的發(fā)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(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家重點研發(fā)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。
受蜻蜓角質層中彈性蛋白啟發(fā)的低熵罰聚氨酯彈性體設計制備示意圖
聚氨酯彈性體的硬相域尺寸及微相分離的精準調控
聚氨酯彈性體的力學強度、彈性以及彈性恢復機制
