“假如汽车轮胎能像蜻蜓党羽同样又轻又弹，还有能跑患上更远，你愿意换吗？”近日，中国科学院兰州化学物理研究所发布的一条动静，让这个问题有了时间表。他们从天然界最小的飞行巨匠——蜻蜓的党羽中找到了破解之道，乐成研制出一种倾覆性的“低熵罚聚氨酯弹性体”。这项科研结果，将来有望完全改写高端轮胎、航天密封件以致柔性呆板人的机能极限。相干论文发表在《进步前辈功效质料》。

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困境之困：传统质料的“强弹之殇”

于富贵都市的喧嚣中，汽车于门路上飞奔，飞机于天空中飞翔，这些现代交通东西的暗地里，离不开聚氨酯质料的默默支撑。从轮胎的耐磨抓地，到密封件的严丝合缝，再到减震器的缓冲减震，聚氨酯质料以其怪异的软段与硬段瓜代共聚布局，成了工程范畴的“多面手”。

“聚氨酯自己是一种很是矫捷的质料，但于强度与弹性轻易掉衡：加强强度：凡是要插手刚性布局或者填料，但这会让份子链勾当受限，弹性降低；晋升弹性：则需要增长柔性链段，但捐躯了承重能力。这就是质料界的不成能。”论文通信作者、兰州化物所研究员王晓龙注释道，就像给一辆高速行驶的汽车装上了极重繁重的刹车，虽然能让车停下来，但却影响了它的速率及矫捷性。传统聚氨酯质料的“强弹之殇”，成了制约高端工程范畴成长的瓶颈。

为此，科学家们一直巴望找到一种质料，既能蒙受巨年夜的压力，又能像弹簧同样迅速恢回复复兴状。

可是，为何传统质料老是难以统筹强韧与弹性？科学家们展现了质料设计中常常碰到的一个“隐形障碍”——“熵罚”。想象一根橡皮筋：拉长轻易，但吊起重物就会永世变形。又或者者一根粗弹簧：承重能力强，回弹却粗笨不矫捷。这暗地里隐蔽着物理学中“熵”（代表杂乱度）的丧失。

当质料被拉伸，份子链从杂乱状况被迫摆列整洁（熵减），这一历程需要耗损能量，而且部门丧失没法于回弹时填补，这就是“熵罚”。传统加强手腕，如添加炭黑等硬质填料或者化学交联，虽提高了强度，却犹如给份子链“上枷锁”，限定了它们的自由度，反而加重了熵罚，致使质料变脆、易疲惫

就于科研职员们堕入困境之时，天然界中的一只蜻蜓，为他们带来了但愿的曙光。蜻蜓不管好天雨天，它的党羽却能始终连结不变及矫捷。这一神奇的征象，引起了科研团队的稠密兴致。

天然的聪明：蜻蜓党羽里的弹性暗码

蜻蜓是虫豸界的“王牌飞行员”，每一秒可振翅30～50次，持续飞行几十千米不带喘。它的法门是党羽里的一种“节肢弹性卵白”。

“这类机能很是靠近咱们于工程中寻求的‘又强又弹’”，王晓龙告诉《中国科学报》，它是一种近乎完善的自然弹性质料，付与了蜻蜓党羽极低的刚度、极年夜的应变能力及卓着的弹性。

研究团队敏锐地捕获到这一天然杰作的精髓。节肢弹性卵白内部并不是传统质料那样“规行矩步”，而是布满无序布局区。

“传统弹簧要末硬、要末弹，很难分身；节肢弹性卵白却做到了‘鱼及熊掌兼患上’。”王晓龙打了个比喻，“假如把节肢弹性卵白放年夜成一张蹦床，它既能撑住成年人原地跳，又能于收起时薄患上像纸，还有险些不会老化。”

这些区域经由过程氢键、π-π聚集等微弱的“多点毗连”自由联合或者分散。更奇奥的是，它能举行“液-液相分散”，形成“可逆堆积体”，就像油滴于水中自由浮动，遭到外力后会分离，外力排除后又会从头聚合。这类布局不依靠刚性的永世交联，而是一种可调治、耗能与恢复并存的收集布局，实现了高弹性与低刚度的完善协同。

“这类怪异的布局让蜻蜓党羽于极低刚度的条件下，拥有惊人的回弹能力及超长命命。”王晓龙说。

仿生邪术：打造“动态硬域”的魔术弹簧

怎样借鉴蜻蜓节肢弹性卵白的聪明，于合成质料中实现“强而不僵，弹而不懈”？团队提出了一种新的计谋——“动态硬域精准调控”。

团队经由过程切确设计动态硬域的尺寸、间距及匀称性，模仿节肢弹性卵白的微相分散布局，从而于加强弹性体强度的同时最小化熵罚。为了实现这一方针，他们设计了差别的“刚柔并济”聚合物收集，创立了具备明确尺寸、最好间距及匀称堆积的动态硬域。这些动态硬域经由过程氢键及配位键的堆积形成，并有用地嵌入软链中，引诱了微相分散。

此中，于变形历程中，动态硬域逐渐解体，开释份子自由度（熵增长），而软链则发生应变引诱结晶（焓降低），二者之间成立了协同均衡。这类熵—焓赔偿机制经由过程最小化净吉布斯自由能势垒举行节制。于恢复历程中，可逆的应变引诱结晶面开释贮存的界面吉布斯能以赔偿构象熵丧失，从而促成份子重排。

于试验历程中，科研团队碰到了诸多挑战。最难复制的是多标准协同调控——不仅要于份子层面实现动态键的切确修筑，还有要于宏不雅标准维持质料的布局完备性。

“试验历程中‘翻车’是须要履历的事，最初几批质料不是太硬就是太软，有时辰甚至没法成膜。”助理研究员刘德胜暗示，最年夜的挑战是于质料受力状况下，让“硬域”动态解体同时，“软链”可以或许有序结晶吸能。颠末持续几十组试验三木SEO-的调解，科研团队终究找到了均衡点。

终极于机械机能测试中，科研团队乐成实现了聚氨酯弹性体于力学机能上的调控。优化后的低熵罚聚氨酯弹性体断裂强度跨越80MPa，跨越了今朝已经报导的年夜大都人工合成弹性体。

此外，该质料于短程应变下体现出跨越90%的回弹效率，于长程应变下跨越88%，回弹效率也跨越了今朝所报导的年夜大都人工合成弹性体，于短程变形时甚至可与生物弹性卵白相媲美。这一冲破解决了传统聚氨酯“强则脆，弹则弱”的抵牾，为高弹性聚氨酯质料的研发提供了新思绪。

从晋升修建、桥梁等布局的缓冲效率与耐用性到成为航天密封件抱负质料再到鞭策柔性呆板人技能成长，低熵罚聚氨酯弹性体的乐成研发为高端工程范畴带来新但愿。甚至于汽车范畴，它有望运用在高端汽车轮胎制造，晋升轮胎利用寿命与机能，还有能改善密封件抗疲惫性，保障汽车安全靠得住运行。

“从试验室到量产，最年夜的拦路虎固然是放年夜试验量产机能可否连结不变，以和长周期靠得住性测试，特别是极度天气等利用工况下的验证。”王晓龙暗示，只管今朝该质料仍处在试验室阶段，咱们估计于2至3年内实现中试样轮投放试用，假如进展顺遂，5年内有望于高端汽车或者新能源汽车范畴和减震中实现首批运用。

相干论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202510053

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