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【科普中國】科學(xué)家從蜻蜓身上找到“又強(qiáng)又彈”的材料密碼
出品：科普中國
作者：白常成，劉德勝，王曉龍（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）
監(jiān)制：中國科普博覽
想象一下：如果沒有“又強(qiáng)又彈”的材料，我們每天的出行和生活會變得多么麻煩？輪胎，是支撐汽車高速行駛的“鞋子”，既要在炙熱的公路上承受高速摩擦，又要在坑洼路面承受瞬間沖擊；減震器，是車輛與道路之間的“緩沖墊”，既要穩(wěn)住車身，又要讓顛簸感最小化。這些都離不開一種理想材料：既要夠強(qiáng)，承受住壓力，不易形變，又要夠彈，受到擠壓后能迅速恢復(fù)原狀。在目前的工程應(yīng)用中，高彈性聚氨酯就是這樣一種不可替代的關(guān)鍵材料。
然而，高強(qiáng)度與高回彈性的兼容始終面臨挑戰(zhàn)。對材料科學(xué)家來說，這像是一道讓人頭疼的“不可能三角”：若要增強(qiáng)強(qiáng)度，材料容易變脆；若要提升彈性，材料容易變軟；若想兩者兼顧，熵罰（Entropy Penalty，指是當(dāng)單體分子從無序的自由狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻木酆衔镦湢顟B(tài)時，系統(tǒng)中熵的減少量。）效應(yīng)讓設(shè)計(jì)變得更難。就像用一根彈簧去舉重——你可以做得很硬，但它會失去回彈；你可以做得很彈，又難以承重。傳統(tǒng)聚氨酯就是如此，想把它變強(qiáng)，就要在分子里加“硬核支撐”，可這樣分子鏈的活動自由度被限制，回彈性就被犧牲了。
面對長久以來的痛點(diǎn)，近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3D打印摩擦器件組從蜻蜓翅膀中獲得靈感，提出了一種解決上述問題的策略。
自然界的完美答案：蜻蜓的翅膀?yàn)楹文芨哳l振動？
實(shí)際上，對于這個困擾我們的“不可能三角”，自然界早就把這道難題解出來了！
你或許沒注意過，蜻蜓是飛行界的“超級跑車”——它們翅膀振動的頻率可以高達(dá)每秒數(shù)百次，一旦振翅，它幾乎可以懸停、俯沖、急轉(zhuǎn)彎，靈活得像一架無人機(jī)。它是怎么做到的？秘訣就在于它翅膀里隱藏的一種神奇材料：節(jié)肢彈性蛋白（Resilin）。這是一種近乎完美的天然彈性材料，彈性接近100%，可以反復(fù)形變幾百萬次都不會疲勞斷裂，簡直是“自然界的超級橡膠”。
這種彈性蛋白內(nèi)部藏著一個“小秘密”——它包含大量內(nèi)在無序區(qū)（IDRs），也就是指沒有固定結(jié)構(gòu)的“柔性區(qū)域”。這些區(qū)域就像“分子級魔術(shù)貼”，可以通過多點(diǎn)的弱相互作用（如氫鍵、π-π堆積、靜電和疏水作用）靈活地粘合或分開。在特定的環(huán)境條件下（如pH、鹽濃度、溫度等），這些分子之間會像油滴在水中那樣發(fā)生液-液相分離，形成一個個可逆的富集小液滴。這種結(jié)構(gòu)不像傳統(tǒng)材料那樣依賴死板的永久交聯(lián)，而是構(gòu)建了一個多尺度、可調(diào)節(jié)的能量耗散與恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，這正是它兼具強(qiáng)度與彈性的關(guān)鍵。
這種組合，讓蜻蜓即便是雨天飛行，翅膀經(jīng)受風(fēng)雨拍打、彎曲、形變，都能毫發(fā)無損地恢復(fù)原狀。這就是自然界最優(yōu)雅、精妙的設(shè)計(jì)！
蜻蜓翅膀肌腱中彈性蛋白的熒光顯微鏡拍攝
（圖片來源：Nature 2005,437,999.）
新材料誕生：科學(xué)家如何將靈感轉(zhuǎn)為實(shí)踐？
受到自然界中“蜻蜓翅膀”的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)開始思考：能不能把這個“秘訣”復(fù)制到人工材料里？
團(tuán)隊(duì)從分子層面動手：先在聚氨酯分子里引入動態(tài)氫鍵和配位鍵，像在分子內(nèi)部埋了“魔術(shù)拉鏈”，它們既能牢牢固定硬域的形狀，又能在拉伸時自動解鎖。當(dāng)材料受到外力拉伸時，硬域先分解，釋放了分子鏈的“自由度”，熵增加（形變?nèi)菀祝?；與此同時，柔軟的鏈段會有序結(jié)晶，吸收能量，焓降低（彈性增強(qiáng)）；這種能量的“此消彼長”讓材料變得又強(qiáng)又彈，一舉打破了“熵罰”難題。
在實(shí)驗(yàn)室測試中，這種“低熵罰聚氨酯”展現(xiàn)了驚人的性能：拉伸強(qiáng)度超過80MPa（兆帕），比許多常見工程塑料還要強(qiáng)；回彈率超過88%，彈性幾乎媲美天然節(jié)肢彈性蛋白（Resilin）；耐用性更高，重復(fù)拉伸、回彈依然性能穩(wěn)定?？此破胀ǖ木郯滨椥泽w，背后其實(shí)藏著蜻蜓翅膀的秘密武器。
受蜻蜓角質(zhì)層中彈性蛋白啟發(fā)的可調(diào)聚氨酯彈性體設(shè)計(jì)制備示意圖
（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）
未來應(yīng)用：從輪胎到航天，哪些領(lǐng)域?qū)⑹芤妫?/strong>
那么，這塊“又強(qiáng)又彈”的新材料，將給我們的生活帶來哪些改變？
**智能減震器：**它可以構(gòu)建出更靈敏、更耐久、更適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的減震系統(tǒng)。比如在坑洼不平的路面上，它能夠迅速吸收沖擊能量并迅速恢復(fù)形變，大幅提升減震響應(yīng)速度；在長期使用中，它又具備極高的疲勞耐受性，不易老化或失效。這種智能減震器都能帶來更高的安全性。
**高性能密封件：**在航天器、深海潛水器等極端環(huán)境中，密封圈必須耐寒、耐高溫、耐腐蝕，還得反復(fù)壓縮不失效——這種材料正好派上用場，讓飛船飛得更遠(yuǎn)、潛艇潛得更深。
**柔性機(jī)器人與可穿戴設(shè)備：**想象一下，這種柔軟如皮膚卻堅(jiān)韌如裝甲的新型材料，將成為構(gòu)建機(jī)器人關(guān)節(jié)、輕便卻超級耐用的智能手環(huán)以及柔性傳感器的理想選擇，為這些設(shè)備提供“智能防護(hù)外殼”。
結(jié)語：仿生材料的未來
從蜻蜓翅膀到高性能聚氨酯，團(tuán)隊(duì)再次證明了一個道理：自然界就是最偉大的材料科學(xué)家。當(dāng)人類學(xué)會站在微觀世界，模仿自然的智慧，“不可能三角”也許就會被逐一破解。
未來，或許還有更多“仿生材料”會改變我們的生活：自愈合的涂層、超強(qiáng)韌的仿蛛絲纖維……下一次，當(dāng)你看到一只蜻蜓劃過水面，不妨想一想，它的翅膀，或許就是未來一款超級材料的靈感來源。
參考文獻(xiàn)
[1] Changcheng Bai et al. “Low‐Entropy‐Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin‐Inspired Microphase Separation.” Advanced Functional Materials (2025):e10053.
