【炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)】8月12日消息，近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所的一項(xiàng)科研成果引發(fā)廣泛關(guān)注。該所從自然界中找到了靈感，以蜻蜓翅膀?yàn)樗{(lán)本，成功研發(fā)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(jī)器人等領(lǐng)域的性能提升帶來新的突破，相關(guān)研究論文已在《先進(jìn)功能材料》上發(fā)表。
在現(xiàn)代社會(huì)的交通領(lǐng)域，聚氨酯材料扮演著至關(guān)重要的角色。汽車在道路上疾馳，飛機(jī)在天空中翱翔，這些交通工具的正常運(yùn)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(yán)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(dú)特的軟段與硬段交替共聚結(jié)構(gòu)，成為了工程領(lǐng)域不可或缺的“多面手”。
然而，傳統(tǒng)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(qiáng)度和彈性之間很難達(dá)到平衡。如果想要增強(qiáng)強(qiáng)度，通常需要加入剛性結(jié)構(gòu)或填料，但這會(huì)使分子鏈活動(dòng)受限，導(dǎo)致彈性降低;而如果提升彈性，增加柔性鏈段又會(huì)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(xué)家們揭示，材料設(shè)計(jì)中存在一個(gè)“隱形障礙”——“熵罰”。當(dāng)材料被拉伸時(shí)，分子鏈從混亂狀態(tài)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(shí)彌補(bǔ)。傳統(tǒng)增強(qiáng)手段，如添加炭黑等硬質(zhì)填料或化學(xué)交聯(lián)，雖提高了強(qiáng)度，卻限制了分子鏈的自由度，加劇了熵罰，導(dǎo)致材料變脆、易疲勞。
就在科研人員陷入困境之時(shí)，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(xù)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(wěn)定和靈活，這一神奇現(xiàn)象引起了科研團(tuán)隊(duì)的濃厚興趣。據(jù)炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)了解，蜻蜓翅膀的秘訣在于其中含有的“節(jié)肢彈性蛋白”。
王曉龍介紹說：“這種節(jié)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(yīng)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(qiáng)又彈’。”研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，節(jié)肢彈性蛋白內(nèi)部并非傳統(tǒng)材料那樣規(guī)整有序，而是充滿了無序結(jié)構(gòu)區(qū)。這些區(qū)域通過氫鍵、π - π堆積等微弱的“多點(diǎn)連接”自由結(jié)合或分離，還能進(jìn)行“液 - 液相分離”，形成“可逆聚集體”，就像油滴在水中自由浮動(dòng)，受到外力后會(huì)分散，外力解除后又會(huì)重新聚合。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不依賴剛性的永久交聯(lián)，而是一種可調(diào)節(jié)、耗能與恢復(fù)并存的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高彈性與低剛度的完美協(xié)同。
如何借鑒蜻蜓節(jié)肢彈性蛋白的智慧，在合成材料中實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)而不僵，彈而不懈”呢?團(tuán)隊(duì)提出了一種新的策略——“動(dòng)態(tài)硬域精準(zhǔn)調(diào)控”。他們通過精確設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)硬域的尺寸、間距和均勻性，模擬節(jié)肢彈性蛋白的微相分離結(jié)構(gòu)，從而在增強(qiáng)彈性體強(qiáng)度的同時(shí)最小化熵罰。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了不同的“剛?cè)岵?jì)”聚合物網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建了具有明確尺寸、最佳間距和均勻聚集的動(dòng)態(tài)硬域。這些動(dòng)態(tài)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(dǎo)了微相分離。
在實(shí)驗(yàn)過程中，科研團(tuán)隊(duì)遇到了諸多挑戰(zhàn)。助理研究員劉德勝表示，最難復(fù)制的是多尺度協(xié)同調(diào)控，不僅要在分子層面實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)鍵的精確構(gòu)筑，還要在宏觀尺度維持材料的結(jié)構(gòu)完整性。“實(shí)驗(yàn)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(shí)候甚至無法成膜。”最大的挑戰(zhàn)是在材料受力狀態(tài)下，讓“硬域”動(dòng)態(tài)解體同時(shí)，“軟鏈”能夠有序結(jié)晶吸能。經(jīng)過連續(xù)幾十組實(shí)驗(yàn)的調(diào)整，科研團(tuán)隊(duì)終于找到了平衡點(diǎn)。
最終在機(jī)械性能測試中，科研團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了聚氨酯彈性體在力學(xué)性能上的調(diào)控。優(yōu)化后的低熵罰聚氨酯彈性體斷裂強(qiáng)度超過80MPa，超過了目前已報(bào)道的大多數(shù)人工合成彈性體。此外，該材料在短程應(yīng)變下表現(xiàn)出超過90%的回彈效率，在長程應(yīng)變下超過88%，回彈效率也超過了目前所報(bào)道的大多數(shù)人工合成彈性體，在短程變形時(shí)甚至可與生物彈性蛋白相媲美。這一突破解決了傳統(tǒng)聚氨酯“強(qiáng)則脆，彈則弱”的矛盾，為高彈性聚氨酯材料的研發(fā)提供了新思路。
低熵罰聚氨酯彈性體的成功研發(fā)為高端工程領(lǐng)域帶來了新的希望。從提升建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)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(dòng)柔性機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，這一材料都有著廣闊的應(yīng)用前景。在汽車領(lǐng)域，它有望應(yīng)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(yùn)行。
王曉龍表示，盡管目前該材料仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，但預(yù)計(jì)在2至3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)中試樣輪投放試用，如果進(jìn)展順利，5年內(nèi)有望在高端汽車或新能源汽車領(lǐng)域及減震中實(shí)現(xiàn)首批應(yīng)用。不過，從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)，最大的挑戰(zhàn)是放大實(shí)驗(yàn)量產(chǎn)性能能否保持穩(wěn)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(yàn)證。
