蜘蛛丝启发的超强弹性体！迄今为止最强、最坚韧的可修复弹性体|聚合物|橡胶|材料

　　橡胶在我们生活中随处可见，开发具有非凡机械性能的可修复和可回收弹性体在建设可持续社会中起着至关重要的作用。高强度、高韧性、高弹性的可修复和可回收弹性体在飞机轮胎等高科技行业以及软机器人、柔性电子和可伸缩光学设备等新兴领域显示出巨大的前景。那那橡胶弹性体跟蜘蛛丝又有什么关系呢？科学家带领读者们看看，如何模仿蜘蛛丝来研发高性能的弹性体。

　　在蜘蛛丝的启发下，吉林大学化学学院的孙俊奇教授、刘小孔教授团队研制出了一种可修复、可回收的超分子弹性体，其断裂真应力等同于蜘蛛丝，韧性是普通蜘蛛丝的2.4倍。该弹性体具有聚合物弹性体有史以来最高的抗拉强度，使其成为迄今为止最强和最坚韧的可修复弹性体。研究成果以“Healable and Recyclable Elastomers with Record-High Mechanical Robustness, Unprecedented Crack Tolerance, and Superhigh Elastic Restorability”为题发表在最新一期《Advanced Materials》。

　　

　　【弹性体的设计与制备】

　　在给定的合成材料中实现高强度和高韧性的良好弹性组合是一个长期的挑战。这些力学性质来源于不同的分子机制，因此它们通常是相互排斥的，开发具有高度矛盾力学性能和优异的抗裂性的可修复和可回收弹性体是一个巨大的挑战。自然界已经发展出许多生物大分子的非共价自组装，从而产生了具有矛盾体力学特性的强大天然材料。蜘蛛丝是自然界中发现的最坚固的材料之一，它具有极高的强度，结合了巨大的韧性和良好的弹性。蜘蛛丝具有两相结构，其中由氢键多肽链组成的β薄片纳米晶体均匀地嵌入在非晶态基体中。蛛丝显著的力学稳定性主要源于β薄片纳米晶体中独特的氢键阵列。因此，合理设计氢键交联可以得到与蜘蛛丝相当坚固的人造弹性体。

　　

　　图1 蜘蛛丝的结构示意图。

　　受到蜘蛛丝的启发，作者进行了精细的分子工程，制造可修复和可回收的超分子聚(脲-尿素)(Supra-PU)弹性体，表现出创纪录的机械韧性和前所未有的抗裂能力。通过构建多酰氨基脲(ASCZ)和带有不同间隔层(脂环六原子间隔层和芳香族间隔层)的聚氨酯基团，设计出具有丰富的氢键供体和受体的硬链。这种结构有利于形成密度更高的氢键阵列，表现出更小的尺寸，更密集的氢键。与蜘蛛丝的增韧机理相似，无论弹性体是完整的还是有裂纹/割伤的，上述结构特征不仅能使聚合物链更牢固地联锁，而且能更有效地耗散能量。

　　【Supra-PU弹性体的性能】

　　作者对Supra-PU弹性体分别做了材料、机械性能、裂纹、弹性、自愈合、再循环表征，结果如下：超高透明的Supra-PU弹性体表现出1.21 GPa的超高真应力，390.2 MJ m -3的超高韧性，以及215.2 kJ m -2的高断裂能的超高裂纹容忍度。断裂时的真实应力与典型的蜘蛛丝相当，而韧性甚至比已知的最坚韧的蜘蛛丝还要大。Supra-PU弹性体具有聚合物弹性体有史以来最高的抗拉强度(75.6 MPa)，而其断裂能量甚至超过了金属和合金，使极其坚固的弹性体仍然高度可靠和耐用，即使切割或裂纹存在。此外，弹性体表现出超高的弹性恢复能力，超过12倍的尺寸恢复能力。Supra-PU弹性体是可修复和可回收的，延长了使用寿命和生命周期，进一步增强了材料的可靠性和可持续性。这种密集的氢键显著提高了弹性体的强度、韧性、耐裂性以及弹性恢复能力。

　　

　　图2 合成Supra-PU弹性体的材料和路线

　　

　　图3 弹性体的拉伸性能

　　综上，作者受蜘蛛丝启发，通过精心设计氢键段的分子结构，开发了超强、超韧、高弹性的Supra-PU弹性体，具有可愈合性和可回收性。这项工作显著颠覆了传统的共识，为具有非凡机械性能的可修复和可回收材料的设计铺平了道路。这种弹性体作为一种非常可靠和耐用的材料用于承载和吸能应用，在高科技行业，如航空航天和国防工业中显示出了良好的前景。弹性体的可修复性和可回收性使其成为一种可持续的材料，可应用于软机器人技术、柔性电子产品和可伸缩光学设备等新兴应用领域。

　　来源：高分子科学前沿

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