【中國科學報】他們從蜻蜓翅膀中煉出“魔術彈簧”
“如果汽車輪胎能像蜻蜓翅膀一樣又輕又彈，還能跑得更遠，你愿意換嗎？”近日，中國科學院蘭州化學物理研究所發(fā)布的一條消息，讓這個問題有了時間表。他們從自然界最小的飛行大師——蜻蜓的翅膀中找到了破解之道，成功研制出一種顛覆性的“低熵罰聚氨酯彈性體”。這項科研成果，未來有望徹底改寫高端輪胎、航天密封件乃至柔性機器人的性能極限。相關論文發(fā)表于《先進功能材料》。
低熵罰聚氨酯彈性體提舉啞鈴試驗。 蘭化所供圖。
困境之困：傳統(tǒng)材料的“強彈之殤”
在繁華都市的喧囂中，汽車在道路上飛馳，飛機在天空中翱翔，這些現(xiàn)代交通工具的背后，離不開聚氨酯材料的默默支撐。從輪胎的耐磨抓地，到密封件的嚴絲合縫，再到減震器的緩沖減震，聚氨酯材料以其獨特的軟段與硬段交替共聚結構，成為了工程領域的“多面手”。
“聚氨酯本身是一種非常靈活的材料，但在強度與彈性容易失衡：增強強度：通常要加入剛性結構或填料，但這會讓分子鏈活動受限，彈性降低；提升彈性：則需要增加柔性鏈段，但犧牲了承重能力。這就是材料界的不可能。”論文通訊作者、蘭州化物所研究員王曉龍解釋道，就像給一輛高速行駛的汽車裝上了沉重的剎車，雖然能讓車停下來，但卻影響了它的速度和靈活性。傳統(tǒng)聚氨酯材料的“強彈之殤”，成為了制約高端工程領域發(fā)展的瓶頸。
為此，科學家們一直渴望找到一種材料，既能承受巨大的壓力，又能像彈簧一樣迅速恢復原狀。
但是，為什么傳統(tǒng)材料總是難以兼顧強韌與彈性？科學家們揭示了材料設計中經(jīng)常遇到的一個“隱形障礙”——“熵罰”。想象一根橡皮筋：拉長容易，但吊起重物就會永久變形。又或者一根粗彈簧：承重能力強，回彈卻笨重不靈活。這背后隱藏著物理學中“熵”（代表混亂度）的損失。
當材料被拉伸，分子鏈從混亂狀態(tài)被迫排列整齊（熵減），這一過程需要消耗能量，并且部分損失無法在回彈時彌補，這就是“熵罰”。傳統(tǒng)增強手段，如添加炭黑等硬質填料或化學交聯(lián)，雖提高了強度，卻如同給分子鏈“上鐐銬”，限制了它們的自由度，反而加劇了熵罰，導致材料變脆、易疲勞
就在科研人員們陷入困境之時，自然界中的一只蜻蜓，為他們帶來了希望的曙光。蜻蜓無論晴天雨天，它的翅膀卻能始終保持穩(wěn)定和靈活。這一神奇的現(xiàn)象，引起了科研團隊的濃厚興趣。
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。蘭化所供圖。
自然的智慧：蜻蜓翅膀里的彈性密碼
蜻蜓是昆蟲界的“王牌飛行員”，每秒可振翅30～50次，連續(xù)飛行幾十公里不帶喘。它的秘訣是翅膀里的一種“節(jié)肢彈性蛋白”。
“這種性能非常接近我們在工程中追求的‘又強又彈’”，王曉龍告訴《中國科學報》，它是一種近乎完美的天然彈性材料，賦予了蜻蜓翅膀極低的剛度、極大的應變能力和卓越的彈性。
研究團隊敏銳地捕捉到這一自然杰作的精髓。節(jié)肢彈性蛋白內(nèi)部并非傳統(tǒng)材料那樣“規(guī)規(guī)矩矩”，而是充滿無序結構區(qū)。
“傳統(tǒng)彈簧要么硬、要么彈，很難兩全；節(jié)肢彈性蛋白卻做到了‘魚和熊掌兼得’。”王曉龍打了個比方，“如果把節(jié)肢彈性蛋白放大成一張蹦床，它既能撐住成年人原地跳，又能在收起時薄得像紙，還幾乎不會老化。”
這些區(qū)域通過氫鍵、π-π堆積等微弱的“多點連接”自由結合或分離。更奇妙的是，它能進行“液-液相分離”，形成“可逆聚集體”，就像油滴在水中自由浮動，受到外力后會分散，外力解除后又會重新聚合。這種結構不依賴剛性的永久交聯(lián)，而是一種可調(diào)節(jié)、耗能與恢復并存的網(wǎng)絡結構，實現(xiàn)了高彈性與低剛度的完美協(xié)同。
“這種獨特的結構讓蜻蜓翅膀在極低剛度的前提下，擁有驚人的回彈能力和超長壽命。”王曉龍說。
仿生魔法：打造“動態(tài)硬域”的魔術彈簧
如何借鑒蜻蜓節(jié)肢彈性蛋白的智慧，在合成材料中實現(xiàn)“強而不僵，彈而不懈”？團隊提出了一種新的策略——“動態(tài)硬域精準調(diào)控”。
團隊通過精確設計動態(tài)硬域的尺寸、間距和均勻性，模擬節(jié)肢彈性蛋白的微相分離結構，從而在增強彈性體強度的同時最小化熵罰。為了實現(xiàn)這一目標，他們設計了不同的“剛柔并濟”聚合物網(wǎng)絡，創(chuàng)建了具有明確尺寸、最佳間距和均勻聚集的動態(tài)硬域。這些動態(tài)硬域通過氫鍵和配位鍵的聚集形成，并有效地嵌入軟鏈中，誘導了微相分離。
其中，在變形過程中，動態(tài)硬域逐漸解體，釋放分子自由度（熵增加），而軟鏈則發(fā)生應變誘導結晶（焓降低），兩者之間建立了協(xié)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。
在實驗過程中，科研團隊遇到了諸多挑戰(zhàn)。最難復制的是多尺度協(xié)同調(diào)控——不僅要在分子層面實現(xiàn)動態(tài)鍵的精確構筑，還要在宏觀尺度維持材料的結構完整性。
“實驗過程中‘翻車’是必要經(jīng)歷的事，最初幾批材料不是太硬就是太軟，有時候甚至無法成膜。”助理研究員劉德勝表示，最大的挑戰(zhàn)是在材料受力狀態(tài)下，讓“硬域”動態(tài)解體同時，“軟鏈”能夠有序結晶吸能。經(jīng)過連續(xù)幾十組實驗的調(diào)整，科研團隊終于找到了平衡點。
最終在機械性能測試中，科研團隊成功實現(xiàn)了聚氨酯彈性體在力學性能上的調(diào)控。優(yōu)化后的低熵罰聚氨酯彈性體斷裂強度超過80MPa，超過了目前已報道的大多數(shù)人工合成彈性體。
此外，該材料在短程應變下表現(xiàn)出超過90%的回彈效率，在長程應變下超過88%，回彈效率也超過了目前所報道的大多數(shù)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。這一突破解決了傳統(tǒng)聚氨酯“強則脆，彈則弱”的矛盾，為高彈性聚氨酯材料的研發(fā)提供了新思路。
從提升建筑、橋梁等結構的緩沖效率與耐用性到成為航天密封件理想材料再到推動柔性機器人技術發(fā)展，低熵罰聚氨酯彈性體的成功研發(fā)為高端工程領域帶來新希望。甚至在汽車領域，它有望應用于高端汽車輪胎制造，提升輪胎使用壽命與性能，還能改善密封件抗疲勞性，保障汽車安全可靠運行。
“從實驗室到量產(chǎn)，最大的攔路虎當然是放大實驗量產(chǎn)性能能否保持穩(wěn)定，以及長周期可靠性測試，尤其是極端氣候等使用工況下的驗證。”王曉龍表示，盡管目前該材料仍處于實驗室階段，我們預計在2至3年內(nèi)實現(xiàn)中試樣輪投放試用，如果進展順利，5年內(nèi)有望在高端汽車或新能源汽車領域及減震中實現(xiàn)首批應用。
