发布时间：2026-07-21 09:37:11 人气：0次
在自然界中，生物材料通过多尺度结构以及多样的分子间相互作用而提升了其减震性能，从而能够抵抗冲击并抑制不必要的振动。这些天然策略为开发仿生减震材料提供了宝贵的灵感。因此，人们开发了多种基于聚合物的减震器，这些减震器具有重量轻、减震能力强且功能多样的特点。有效的减震机制通常源于聚合物链段的粘弹性运动、次级松弛过程、链间摩擦以及物理性解缠现象。但现有的阻尼材料由于分子间相互作用过于弱小（例如范德瓦尔斯力以及疏水效应），因此在高温、大变形和高频条件下其能量耗散能力受到限制，这往往会导致其机械性能下降。此外，这些材料的恢复性能、循环耐久性和激活性能也不足以应对反复加载条件下的持续运行需求。
针对上述挑战，受天然蜘蛛丝中的β折叠纳米晶体的启发，南开大学刘遵峰教授、赵维强副教授联合中国药科大学周湘教授、东华大学朱美芳院士团队开发出一种通过半互穿网络结构实现的高阻尼的多晶相液晶弹性体纤维。通过创新性地设计线性聚合物的末端结构，研究人员能够精确控制半互穿网络纤维内的液晶相态。这种纤维具有高达 47.6 MPa 的高弹性模量、60.4 MJ m −3 的卓越韧性、88.6%的高耗散系数、超宽的阻尼温度范围、宽范围的阻尼频率范围，以及强大的驱动应力能力，综合性能远超现有的液晶弹性体纤维。
2026年7月9日，相关成果以“Spider Silk-Inspired High-Damping Liquid Crystal Elastomer Fibers Enabled by Semi-Interpenetrating Networks”为题，发表在Advanced Materials上，第一作者为刘晓。
研究人员提出了一种高阻尼液晶弹性体纤维(LCE)的制备方法，该纤维采用半互穿网络结构来构建线性段，并将它们引入到交联网络中。这种半互穿网络结构模拟了蜘蛛丝中的可分离β折叠纳米晶体结构：线性液晶聚合物(LLCPs)增强了液晶系统的动态响应和能量消散能力，而交联的液晶网络(LCN)则提供了机械稳定性和驱动能力。一些分散在天然蜘蛛丝非晶态区域中的β折叠纳米晶体可以通过克服强烈的分子间相互作用而分离，从而有效消散能量（图 1a）。
图1 受蜘蛛丝结构的启发，采用了仿生分子设计方法来制造具有卓越机械性能、驱动能力和阻尼特性的双螺杆挤出熔融纺丝纤维。(a) 示意图展示了天然蜘蛛丝与熔融纺丝制备的半 IPN LCE 纤维的制造过程。
LLCPs 的分子设计与合成
研究人员合成了四种具有不同末端基团的长链烷基、短链羟基、短链羧基以及长链羟基的 LLCP 材料，用于半 IPN 构建过程（见图 1b ）。为了抑制在硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应中的 LLCP 反应活性，首先在 DPA 的碱性催化剂存在下，将过量的二丙烯酸酯介晶体（RM257）与二硫醇间隔物（DTT，两侧各有一个羟基）发生反应，成功制备出带有丙烯酸酯端端的 LLCP 前体。随后，这些前体通过添加四种不同的单硫醇末端封端剂进行修饰，利用 DBU 亲核碱性催化剂的催化反应动力学差异来实现这种修饰。最终得到了四种 LLCP 材料（分别命名为 EM-LLCP、ME-LLCP、MAA-LLCP 和 MCH-LLCP），这些材料具有多个通过 DTT 形成的链间氢键，而这些氢键又受到 LLCP 末端基团的影响。
半-IPN LCE纤维的制备与特性
研究人员基于分子结构相似性原理，设计了具有相同主链构型的 LCNs，以在溶液渗透过程中提高 Semi-IPNs 两个组分之间的相容性。具体来说，LCN 基质是通过将 Mesogens（RM257）、间隔物（EDDET）和交联剂（PETMP）在 CH 2 Cl 2条件下聚合而成，随后在 40°C 的温度下与 LLCPs 按 2:1 的比例混合（LCN:LLCP）。所得低聚物通过双螺杆挤出纺丝平台被纺制成 Semi-IPN LCE 纤维。纤维的可纺性、机械性能和阻尼特性很大程度上取决于 LCN 低聚物的交联密度。4.5 摩尔%的交联剂（交联剂中的硫醇基团与总硫醇基团的摩尔比例）。此外，对半 IPN LCE 纤维进行的膨胀实验显示，其平均凝胶含量为 67.3%至 69.4%，平均线性链含量为 30.6%至 32.7%。这些数值与初始质量比（mLCN : mLLCP = 2:1）相符。这表明注入的 LLCPs 并未与 LCN 网络发生反应，并且可以用良好的溶剂将其去除。
研究人员评估了这些纤维的力学性能、驱动性能以及阻尼能力，与四种半 IPN LCE 纤维进行了比较。例如，单网络 LCE 纤维的液晶各向同性相变温度（T）为 64.2°C，高于单网络 LCE 低聚物（约 55°C），但低于 LLCPs（最低 T 为 115.7°C）。这表明，理论上，半 IPN LCE 纤维的 T 值应该介于这两个数值之间。重要的是，虽然残留溶剂影响了基于 LCE 的阻尼器的阻尼性能，但双螺杆挤出法在将低聚物在设定温度下挤出机腔内时，有效地消除了这种影响。
半 IPN LCE 纤维的坚固机械性能和驱动性能
正如所预想的那样，半 IPN-MAA 纤维的机械性能与天然蜘蛛丝具有惊人的一致性（见图 2a），这直接证明了通过仿生方法成功构建了β折叠纳米晶体结构。具体来说，半 IPN-MAA LCE 纤维的应力-应变曲线可以划分为三个阶段：弹性变形阶段（应变范围：0%至 17%）；链间氢键滑动阶段（应变范围：17%至 258%，即第一阶段）；以及网络承载阶段（应变范围：258%至 379%，即第二阶段）。通过在半 IPN-MAA LCE 纤维中引入特定结构，其机械强度和阻尼性能优于单网络样品，后者缺乏屈服平台，并且在应变约为 80%时会出现过早的应变硬化现象。
图2 半 IPN LCE 纤维的力学性能、驱动能力和阻尼特性。(a) 半 IPN-MAA LCE 纤维（绿色）与自然蜘蛛丝（橙色）的应力-应变曲线。
在双轴挤压熔融过程中，喷嘴直径和拉伸速度是两个至关重要的参数，它们决定了 LCE 纤维的机械性能。研究这些参数对半 IPN 和单网络 LCE 样品机械性能的影响。例如，在 75 m h −1 的拉伸速度下，半 IPN-MAA LCE 纤维表现出最佳的机械性能：断裂强度为 32.7 MPa，断裂伸长率为 358.5%，韧性为 60.4 MJ·m − 3 ，弹性模量为 47.6 MPa。而在 37.5 m h −1 的低速度下，由于纤维取向不足和界面相互作用较弱，韧性显著下降（至 25.0 MJ·m − 3 ），断裂伸长率也降至 184.1%。相反，在 112.5 m h −1 的高拉伸条件下，半 IPN 纤维会出现应力集中和界面脱粘现象，导致弹性模量增加（至 49.抗拉强度为 3 兆帕，断裂应力为 51.8 兆帕；然而，其断裂伸长率下降到了 164.2%，韧性也降低了 42.8 兆焦耳/平方米。
半 IPN LCE 纤维的卓越减震性能
图3 半IPN LCE 纤维的粘弹性特性及能量耗散性能
为了克服这一限制，研究人员采用了半互穿网络改性尼龙-甲胺纤维，通过传统的对角编织工艺制造出了一种高效的阻尼网。
图4 半 IPN-MAA LCE 纤维的编织结构
Semi-IPN-MAA 阻尼材料具有逐渐降低的弹性性能，同时提升了阻尼效果，雷达图显示（图4h），Semi-IPN-MAA LCE 纤维的综合性能优于人类骨骼肌以及其他报道过的基于 LCE 的人造肌肉。这些材料的各项参数都超过了人类骨骼肌的标准。其弹性模量、断裂伸长率以及韧性等指标均优于其他同类材料。研究人员研发的 Semi-IPN-MAA LCE 纤维在未牺牲阻尼性能同时，提升机械性能和驱动能力，这充分体现了在研发与创新方面的人工肌肉的巨大潜力。
结论
受天然蜘蛛丝中可分离β折叠纳米晶体的启发，研究通过精确调控 LCE 纤维中的网络拓扑结构和 LC 相态，实现了机械性能、驱动性能与阻尼能力之间的优化平衡。最终得到的 Semi-IPN-MAA LCE 纤维同时具备高弹性模量（47.6 MPa）、断裂伸长率达 358%、韧性高达 60.4 MJ m −3 、断裂应力为 32.7 MPa，以及 5.33 MJ m −3 的耗散能量（在扭曲后可提升至 5.61 MJ m −3 ）。其耗散系数达到了88。通过双螺杆挤出工艺实现的通道封闭技术，使得 Semi-IPN 弹性体纤维能够持续且大规模地生产，为工业化应用提供了可能。
总结来说，所提出的策略能够将原本无法结合的特性整合到同一材料平台上。通过更复杂的物理拓扑设计，这一效果可以进一步增强——从而实现复杂的分子工程、改进的纺丝技术以及更丰富的氢键结构。这种方法为开发自组装动态网络和多功能聚合物材料提供了通用框架。这项工作将为高阻尼 LCE 材料、人工肌肉以及柔软的机器人系统开辟新的可能性。
原文DOI: https://doi.org/10.1002/adma.73958
