【炭黑产业网】8月12日消息，近日，中国科学院兰州化学物理研究所的一项科研成果引发广泛关注。该所从自然界中找到了灵感，以蜻蜓翅膀为蓝本，成功研发出一种具有颠覆性的“低熵罚聚氨酯弹性体”，这一成果有望为高端轮胎、航天密封件以及柔性机器人等领域的性能提升带来新的突破，相关研究论文已在《先进功能材料》上发表。
在现代社会的交通领域，聚氨酯材料扮演着至关重要的角色。汽车在道路上疾驰，飞机在天空中翱翔，这些交通工具的正常运行都离不开聚氨酯材料的支持。无论是轮胎的耐磨抓地性能，还是密封件的严丝合缝，亦或是减震器的缓冲减震作用，聚氨酯材料凭借其独特的软段与硬段交替共聚结构，成为了工程领域不可或缺的“多面手”。
然而，传统聚氨酯材料也面临着难以突破的困境。论文通讯作者、兰州化物所研究员王晓龙解释道：“聚氨酯材料本身具有灵活性，但在强度和弹性之间很难达到平衡。如果想要增强强度，通常需要加入刚性结构或填料，但这会使分子链活动受限，导致弹性降低;而如果提升弹性，增加柔性链段又会牺牲材料的承重能力。这就像给高速行驶的汽车装上沉重的刹车，虽然能让车停下来，但却影响了它的速度和灵活性。”科学家们揭示，材料设计中存在一个“隐形障碍”——“熵罚”。当材料被拉伸时，分子链从混乱状态被迫排列整齐，这一过程需要消耗能量，且部分损失无法在回弹时弥补。传统增强手段，如添加炭黑等硬质填料或化学交联，虽提高了强度，却限制了分子链的自由度，加剧了熵罚，导致材料变脆、易疲劳。
就在科研人员陷入困境之时，自然界中的蜻蜓为他们带来了希望的曙光。蜻蜓堪称昆虫界的“王牌飞行员”，每秒可振翅30 - 50次，还能连续飞行几十公里。它的翅膀无论在晴天还是雨天，都能始终保持稳定和灵活，这一神奇现象引起了科研团队的浓厚兴趣。据炭黑产业网了解，蜻蜓翅膀的秘诀在于其中含有的“节肢弹性蛋白”。
王晓龙介绍说：“这种节肢弹性蛋白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，其性能非常接近我们在工程中追求的‘又强又弹’。”研究团队发现，节肢弹性蛋白内部并非传统材料那样规整有序，而是充满了无序结构区。这些区域通过氢键、π - π堆积等微弱的“多点连接”自由结合或分离，还能进行“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。这种独特的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。
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”呢?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，团队设计了不同的“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。
在实验过程中，科研团队遇到了诸多挑战。助理研究员刘德胜表示，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’是常有的事，最初几批材料不是太硬就是太软，有时候甚至无法成膜。”最大的挑战是在材料受力状态下，让“硬域”动态解体同时，“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。
最终在机械性能测试中，科研团队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80MPa，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。
低熵罚聚氨酯弹性体的成功研发为高端工程领域带来了新的希望。从提升建筑、桥梁等结构的缓冲效率与耐用性，到成为航天密封件的理想材料，再到推动柔性机器人技术的发展，这一材料都有着广阔的应用前景。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。
王晓龙表示，尽管目前该材料仍处于实验室阶段，但预计在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。不过，从实验室到量产，最大的挑战是放大实验量产性能能否保持稳定，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。
