【炭黑產業網】8月12日消息，近日，中國科學院蘭州化學物理研究所的一項科研成果引發廣泛關注。該所從自然界中找到了靈感，以蜻蜓翅膀為藍本，成功研發出一種具有顛覆性的“低熵罰聚氨酯彈性體”，這一成果有望為高端輪胎、航天密封件以及柔性機器人等領域的性能提升帶來新的突破，相關研究論文已在《先進功能材料》上發表。
在現代社會的交通領域，聚氨酯材料扮演著至關重要的角色。汽車在道路上疾馳，飛機在天空中翱翔，這些交通工具的正常運行都離不開聚氨酯材料的支持。無論是輪胎的耐磨抓地性能，還是密封件的嚴絲合縫，亦或是減震器的緩沖減震作用，聚氨酯材料憑借其獨特的軟段與硬段交替共聚結構，成為了工程領域不可或缺的“多面手”。
然而，傳統聚氨酯材料也面臨著難以突破的困境。論文通訊作者、蘭州化物所研究員王曉龍解釋道：“聚氨酯材料本身具有靈活性，但在強度和彈性之間很難達到平衡。如果想要增強強度，通常需要加入剛性結構或填料，但這會使分子鏈活動受限，導致彈性降低;而如果提升彈性，增加柔性鏈段又會犧牲材料的承重能力。這就像給高速行駛的汽車裝上沉重的剎車，雖然能讓車停下來，但卻影響了它的速度和靈活性。”科學家們揭示，材料設計中存在一個“隱形障礙”——“熵罰”。當材料被拉伸時，分子鏈從混亂狀態被迫排列整齊，這一過程需要消耗能量，且部分損失無法在回彈時彌補。傳統增強手段，如添加炭黑等硬質填料或化學交聯，雖提高了強度，卻限制了分子鏈的自由度，加劇了熵罰，導致材料變脆、易疲勞。
就在科研人員陷入困境之時，自然界中的蜻蜓為他們帶來了希望的曙光。蜻蜓堪稱昆蟲界的“王牌飛行員”，每秒可振翅30 - 50次，還能連續飛行幾十公里。它的翅膀無論在晴天還是雨天，都能始終保持穩定和靈活，這一神奇現象引起了科研團隊的濃厚興趣。據炭黑產業網了解，蜻蜓翅膀的秘訣在于其中含有的“節肢彈性蛋白”。
王曉龍介紹說：“這種節肢彈性蛋白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，其性能非常接近我們在工程中追求的‘又強又彈’。”研究團隊發現，節肢彈性蛋白內部并非傳統材料那樣規整有序，而是充滿了無序結構區。這些區域通過氫鍵、π - π堆積等微弱的“多點連接”自由結合或分離，還能進行“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。這種獨特的結構不依賴剛性的永久交聯，而是一種可調節、耗能與恢復并存的網絡結構，實現了高彈性與低剛度的完美協同。
如何借鑒蜻蜓節肢彈性蛋白的智慧，在合成材料中實現“強而不僵，彈而不懈”呢?團隊提出了一種新的策略——“動態硬域精準調控”。他們通過精確設計動態硬域的尺寸、間距和均勻性，模擬節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。為了實現這一目標，團隊設計了不同的“剛柔并濟”聚合物網絡，創建了具有明確尺寸、最佳間距和均勻聚集的動態硬域。這些動態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。
在實驗過程中，科研團隊遇到了諸多挑戰。助理研究員劉德勝表示，最難復制的是多尺度協同調控，不僅要在分子層面實現動態鍵的精確構筑，還要在宏觀尺度維持材料的結構完整性。“實驗過程中‘翻車’是常有的事，最初幾批材料不是太硬就是太軟，有時候甚至無法成膜。”最大的挑戰是在材料受力狀態下，讓“硬域”動態解體同時，“軟鏈”能夠有序結晶吸能。經過連續幾十組實驗的調整，科研團隊終于找到了平衡點。
最終在機械性能測試中，科研團隊成功實現了聚氨酯彈性體在力學性能上的調控。優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人工合成彈性體。此外，該材料在短程應變下表現出超過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聚氨酯“強則脆，彈則弱”的矛盾，為高彈性聚氨酯材料的研發提供了新思路。
低熵罰聚氨酯彈性體的成功研發為高端工程領域帶來了新的希望。從提升建筑、橋梁等結構的緩沖效率與耐用性，到成為航天密封件的理想材料，再到推動柔性機器人技術的發展，這一材料都有著廣闊的應用前景。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。
王曉龍表示，盡管目前該材料仍處于實驗室階段，但預計在2至3年內實現中試樣輪投放試用，如果進展順利，5年內有望在高端汽車或新能源汽車領域及減震中實現首批應用。不過，從實驗室到量產，最大的挑戰是放大實驗量產性能能否保持穩定，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。
