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。因此，在輪胎、密封件、減震器等工程應用中，高彈性聚氨酯已成為不可替代的關鍵材料。

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(chǎn)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(lián)，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（Entropy Penalty）——即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取得一定進展，但它們所帶來的鏈纏結和熵損失仍是實現(xiàn)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(xiàn)聚氨酯彈性體高回彈性和高強度的協(xié)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潤滑材料全國重點實驗室3D打印摩擦器件組提出了一種解決上述問題的策略。自然界中，蜻蜓表皮中的節(jié)肢彈性蛋白（Resilin）以其極低的剛度、極大的應變能力和卓越的彈性而聞名，成為昆蟲實現(xiàn)飛行、跳躍等能力的關鍵。其獨特的奧秘源于異質相分離結構。受此啟發(fā)，研究人員提出了一種新的思路，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，團隊人員開發(fā)出了一種兼具高彈性和高強度的低熵罰聚氨酯彈性體。

圖1. 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

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(wǎng)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(wǎng)絡的熵罰。在變形過程中，動態(tài)硬域逐漸解體（ΔS↑），而軟鏈則發(fā)生應變誘導結晶（ΔH↓），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（ΔG =ΔH–TΔS）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（ΔGs）以補償構象熵損失（-TΔS），從而促進分子重排。

圖2. 聚氨酯彈性體的硬相域尺寸及微相分離的精準調控

最后，研究人員通過機械性能測試證明，利用動態(tài)硬域精準控制微相分離，成功實現(xiàn)了聚氨酯彈性體在力學性能上的調控，突破了長期以來高強度和高彈性無法兼容的瓶頸。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已報道的大多數(shù)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(xiàn)出超過90%的回彈效率，且在長程應變下超過88%，該回彈效率也超過了目前所報道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。

因此通過仿生低熵罰策略，成功實現(xiàn)了聚氨酯在強度和彈性的完美兼容，解決了傳統(tǒng)聚氨酯“強則脆，彈則弱”矛盾，為高彈性聚氨酯材料的研發(fā)提供了新思路。

圖3. 聚氨酯彈性體的力學強度、彈性以及彈性恢復機制

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，有望顯著推動其在輪胎、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。

相關研究工作以“Low-Entropy-Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin-Inspired Microphase Separation”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。白常成博士生為論文第一作者，劉德勝助理研究員、蔣盼博士（現(xiàn)在Institut Jacques Monod從事博士后研究）、王曉龍研究員為共同通訊作者。

上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、甘肅省科技計劃、中國科學院特別研究助理資助項目、蘭州化物所重點培育項目等項目的支持。