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杭州配资公司却如同给分子链“上镣铐”

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

“低熵罚聚氨酯弹性体”提举哑铃试验。　　如果汽车轮胎能像蜻蜓翅膀一样又轻又弹，就能跑得更远？　　近日，中国科学院兰州化学物理研究所（以下简称兰州化物所）的研究团队从自然界的飞行大师——蜻蜓的翅膀中找到了破解之道，成功研制出一种颠覆性的“低熵罚聚氨酯弹性体”。这项科研成果未来有望彻底改写高端轮胎、航空航天密封件乃至柔性机器人的性能极限。相关论文发表于《先进功能材料》上。难解之困：传统材料的“强弹之殇”　　在繁华都市中，汽车在道路上飞驰，飞机在天空中翱翔，这些现代交通工具的背后离不开聚氨酯材料的默默支撑。从轮胎的耐磨抓地，到密封件的严丝合缝，再到减震器的缓冲减震，聚氨酯材料以其独特的软段与硬段交替共聚结构，成为了工程领域的“多面手”。　　“聚氨酯本身是一种非常灵活的材料，但其强度与弹性方面容易失衡：增强强度，通常要加入刚性结构或填料，但会让分子链活动受限，弹性降低；提升弹性，则需要增加柔性链段，但牺牲了承重能力。这就是材料界的不可能三角。”论文通讯作者、兰州化物所研究员王晓龙解释道，这就像给一辆高速行驶的汽车装上了沉重的刹车，虽然能让车停下来，但却影响了它的速度和灵活性。　　传统聚氨酯材料的“强弹之殇”，成了制约高端工程领域发展的瓶颈。为此，科学家们一直渴望找到一种材料，既能承受巨大的压力，又能像弹簧一样迅速恢复原状。　　但是，为什么传统材料难以兼顾强韧与弹性？科学家们研究揭示了材料设计中经常遇到的一个隐形障碍“熵罚”。想象一根橡皮筋：拉长容易，但吊起重物就会永久变形。又或者一根粗弹簧：承重能力强，回弹却笨重不灵活。这背后隐藏着物理学中“熵”（代表混乱度）的损失。　　当材料被拉伸，分子链从混乱状态被迫排列整齐，这一过程需要消耗能量，并且部分损失无法在回弹时弥补，这就是“熵罚”。传统增强手段，如添加炭黑等硬质填料或化学交联，虽然提高了强度，却如同给分子链“上镣铐”，限制了它们的自由度，反而加剧了熵罚，导致材料变脆、易疲劳。　　就在科研人员们陷入困境之时，自然界中的蜻蜓为他们带来了灵感。蜻蜓无论晴天雨天，它的翅膀都能保持稳定和灵活。这一神奇的现象，引起了科研团队的浓厚兴趣。自然智慧：蜻蜓翅膀里的弹性密码　　蜻蜓是昆虫界的“王牌飞行员”，每秒可振翅30～50次，能连续飞行几十千米。它的秘诀是翅膀里的一种“节肢弹性蛋白”。　　“这种性能非常接近我们在工程中追求的‘又强又弹’。”王晓龙说，它是一种近乎完美的天然弹性材料，赋予了蜻蜓翅膀极低的刚度、极大的应变能力和卓越的弹性。　　研究团队敏锐地捕捉到这一自然的智慧——节肢弹性蛋白内部并非传统材料那样“规规矩矩”，而是充满无序结构区。　　“传统弹簧要么硬、要么弹，很难两全；节肢弹性蛋白却做到了‘鱼和熊掌兼得’。”王晓龙打了个比方，“如果把节肢弹性蛋白放大成一张蹦床，它既能撑住成年人原地跳，又能在收起时薄得像纸，还几乎不会老化。”　　更奇妙的是，它能进行“液-液相分离”，形成“可逆聚集体”，就像油滴在水中自由浮动，受到外力后会分散，外力解除后又会重新聚合。这种结构不依赖刚性的永久交联，而是一种可调节、耗能与恢复并存的网络结构，实现了高弹性与低刚度的完美协同。　　“这种独特的结构让蜻蜓翅膀在极低刚度的前提下，拥有惊人的回弹能力和超长寿命。”王晓龙说。仿生魔法：“动态硬域”的魔术弹簧　　如何借鉴蜻蜓节肢弹性蛋白的智慧，在合成材料中实现“强而不僵，弹而不懈”？研究团队提出了一种新的策略——“动态硬域精准调控”。　　他们通过精确设计动态硬域的尺寸、间距和均匀性，模拟节肢弹性蛋白的微相分离结构，从而在增强弹性体强度的同时最小化熵罚。为了实现这一目标，他们设计了不同的“刚柔并济”聚合物网络，创建了具有明确尺寸、最佳间距和均匀聚集的动态硬域。这些动态硬域通过氢键和配位键的聚集形成，并有效地嵌入软链中，诱导了微相分离。　　其中，在变形过程中，动态硬域逐渐解体，释放分子自由度（熵增加），而软链则发生应变诱导结晶（焓降低），两者之间建立了协同平衡。这种熵-焓补偿机制通过最小化净吉布斯自由能势垒进行控制。在恢复过程中，可逆的应变诱导结晶面释放储存的界面吉布斯能以补偿构象熵损失，从而促进分子重排。　　在实验过程中，科研团队遇到了诸多挑战。最难复制的是多尺度协同调控，不仅要在分子层面实现动态键的精确构筑，还要在宏观尺度维持材料的结构完整性。　　“实验过程中‘翻车’是必经的事，最初几批材料不是太硬就是太软，有时候甚至无法成膜。”兰州化物所助理研究员刘德胜表示，最大的挑战是在材料受力状态下，让“硬域”动态解体的同时，“软链”能够有序结晶吸能。　　经过连续几十组实验的调整，科研团队终于找到了平衡点。在机械性能测试中，他们成功实现了聚氨酯弹性体在力学性能上的调控。优化后的低熵罚聚氨酯弹性体断裂强度超过80兆帕，超过了目前已报道的大多数人工合成弹性体。　　此外，该材料在短程应变下表现出超过90%的回弹效率，在长　　程应变下超过88%，回弹效率也超过了目前所报道的大多数人工合成弹性体，在短程变形时甚至可与生物弹性蛋白相媲美。这一突破解决了传统聚氨酯“强则脆，弹则弱”的矛盾，为高弹性聚氨酯材料的研发提供了新思路。　　从提升建筑、桥梁等结构的缓冲效率与耐用性，到成为航空航天密封件理想材料，再到推动柔性机器人技术发展，低熵罚聚氨酯弹性体的成功研发为高端工程领域带来新希望。特别是在汽车领域，它有望应用于高端汽车轮胎制造，提升轮胎使用寿命与性能，还能改善密封件抗疲劳性，保障汽车安全、可靠运行。　　“从实验室到量产，最大的拦路虎当然是放大实验量产后性能能否保持稳定，以及长周期可靠性测试，尤其是极端气候等使用工况下的验证。”王晓龙表示，目前该材料仍处于实验室阶段，预计在2至3年内实现中试样轮投放试用，如果进展顺利，5年内有望在高端汽车或新能源汽车领域及减震中实现首批应用。　　（中国科学院）

发布于：北京市

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