高性能弹性体在轮胎、密封件、减震器等众多工程领域中起着至关重要的作用。它们的形变恢复主要依赖于熵弹性原理，即分子链在拉伸过程中从无序构象到有序排列转变时熵减少，形变释放后系统恢复高熵状态使分子链产生回缩力，同时，弹性体还需要具备足够的强度以承受外部载荷。然而，长期以来一个关键矛盾依旧存在：“强则脆，弹则弱”。而传统提升强度的策略，如引入高密度动态键、硬质填料或交联，往往限制了分子链的运动自由度，造成显著的“熵罚”，即形变过程中的不可逆熵损失，进而降低弹性恢复能力，最终导致永久变形。 尽管氢键、配位键等动态键和硬质微区结构能够增强弹性体的韧性和强度，但它们对链缠结和熵损失的影响始终是限制回弹性的瓶颈。

为了解决上述问题，中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员团队将视线转向了自然界的高性能材料——蜻蜓表皮中的节肢弹性蛋白（Resilin）。这种蛋白因其极低的刚度、巨大的应变能力以及卓越的弹性特性而广为人知，是昆虫实现飞行、跳跃等能力的关键。而这种独特的结构特征在于其异质相分离结构。受此启发，研究人员提出了一个关键假设：是否可以通过精确设计动态硬域（Dynamic Hard Domains）的尺寸、间距和均匀性，从而像Resilin一样调控微相分离状态，以便在增强材料强度的同时最小化熵罚。基于这一仿生理念，团队提出了一种低熵罚设计策略（图1），成功开发出兼具高强度、高回弹性以及优异韧性的弹性体。具体来说，通过构建具有最佳尺寸、间距和均匀聚集的动态硬结构域来调节微相分离状态。因此，所提出的弹性体表现出超过 88% 的弹性恢复效率和超过 80 MPa 的拉伸强度。此外，最优弹性体还具有优异的韧性、超高的断裂能和卓越的抗穿刺性。因此，这种控制微相分离的低熵罚策略成功解决了弹性体弹性和强度之间的内在矛盾，为功能性弹性体在轮胎、动态密封件、减震器防护材料等高端工程场景中的应用奠定了基础。

图1. 受蜻蜓角质层中弹性蛋白启发的可调聚氨酯弹性体微相分离示意图

作者通过紫外-可见吸收光谱、变温FTIR 光谱、二维相关红外光谱、发射光谱以及全原子分子动力学 （MD） 模拟等多种技术手段（图2），系统揭示了三个SPU-DP_X%体系中动态相互作用的形成过程与动态特性。同时研究表明，聚氨酯弹性体中聚合物链的动态相互作用可通过调控SPU-DP_X%体系中硬段和软段的比例，从而调整聚合物网络的刚性与柔性来实现性能优化。

图2. 三种SPU-DP x%体系中微相分离结构演变的动态相互作用差异

此外，利用小角 X 射线散射（SAXS）和原子力显微镜（AFM）（图3）对SPU-DP_x%弹性体的微观结构演变进行了深入分析研究。结果表明，通过调节 SPU-DP_x% 中软硬链段的比例，进而调控其形成的动态硬相域结构，可实现对弹性体中微相分离程度的有效控制。

图3. 三种SPU-DP_x%弹性体的微相分离的精准调控

低熵惩罚弹性体（SPU-DP_25%）具有较小且更均匀的动态硬质域，表现出了优异的机械抗拉强度。其拉伸强度超过了80MPa，远超目前所报道的大多数弹性体材料，并且同时还具备优异的韧性、抗撕裂性和抗穿刺性（图4）。

图4. 三种SPU-DP_x%弹性体的力学性能

利用原位SAXS/WAXS对SPU-DP_25%形变过程中的微观结构演变进行分析（图5），结果表明，其分层相互作用构建了一个均匀的动态硬结构域，有效模拟了蜻蜓角质层中Resilin 的逐级能量分布机制。其在拉伸过程中，动态硬域逐渐解离，而软链段同时发生应变诱导结晶（SIC） 现象。硬结构域的破坏促使构象熵（ΔS↑）的增加，而 SIC 通过晶格有序效应释放焓（ΔH↓）。这种相互竞争而协同的熵-焓补偿机制，能够协同降低净吉布斯自由能势垒（ΔG = ΔH – TΔS），并提高拉伸强度。

图5. SPU-DP_25%弹性体的强化与增韧机制

在相同应变处，SPU-DP_25%具有更加的高回弹效率，达到了89%，超越了目前所报道的大多数人工合成弹性体材料，在短程形变时可与生物弹性蛋白相媲美。此外，利用原位 SAXS、 WAXS和AFM 拉伸循环分析揭示了其具有优异的弹性恢复机制（图6）。即在恢复过程中，SIC 形成的可逆相界面的界面吉布斯自由能（ΔG）被释放出来。吉布斯自由能的变化可以表示为（ΔG = ΔGs +ΔH − TΔS）。这种能量释放机制通过补偿构象熵损失（-TΔS），促进分子链的重排，协同减少能量耗散，并促进热力学自我调节的弹性恢复。

图6. SPU-DP_x%弹性体的弹性与恢复机制

相关研究工作目前以“Low-Entropy-Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin-Inspired Microphase Separation”为题目发表在《Advanced Functional Materials》上，中国科学院兰州化学物理研究所博士研究生白常成为论文第一作者，中国科学院兰州化学物理研究所刘德胜青年研究员、蒋盼博士（现于法国Institut Jacques Monod从事博士后研究）、王晓龙研究员为通讯作者。

该研究得到国家重点研发计划项目、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金项目、甘肃省科技计划、中国科学院特别研究助理资助项目、兰州化物所重点培育项目等项目的支持。

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.

全文链接：

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

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