生命体内DNA分子链超螺旋构象的折叠/展开过程是控制其超高密度生物信息存储与转录的基本构象行为。将这类纳米尺度的动态构象行为扩展至宏观材料体系或可实现某些特殊性能与功能，但目前鲜有相关探索性的工作报道。为此，四川大学高分子科学与工程学院微粘控团队（负责人为王宇研究员）提出了一种受DNA启发的材料进化新策略，即通过程控加捻调制的预拉伸聚烯烃薄膜的自屈曲“内卷”行为，成功设计和制备出了一种多功能的超螺旋构象纤维（supercoiled conformational fibers, SCFs）。这种仿DNA的超螺旋构象纤维不仅具有独特的多尺度微观扭曲结构演化机制，同时还展现出多种聚烯烃以前不具备的重要性能，比如，具有宏观超大弹性变形能力（900 ± 50%）、接近金属水平的力学强度（330 ± 30 MPa）、超高扭转能量储存密度（16.1 ± 0.6 kJ·kg^-1）、在适当刺激下的扭曲能量释放能力，以及通过材料构象展开来实现能量耗散与缓冲软着陆等功能。上述工作最近发表在Advanced Materials上，硕士研究生赵咨宇为本文的第一作者，傅雪薇副研究员、杨伟教授和王宇研究员为共同通讯作者。该工作得到了南开大学刘遵峰教授的指导和帮助。

图1. 模仿DNA“内卷”的超螺旋构象纤维（SCFs）的制备策略及微观结构。

  DNA分子链产生超螺旋构象结构的根本原因是因为它具有很高的分子内应力和内粘附力，相似的，本工作基于预拉伸聚烯烃保鲜膜的受控加捻操作引入了极高的材料内应力，并借助内应力诱导的自曲屈服内卷行为成功实现了宏观材料的多级超螺旋与构象折叠行为调控。SCFs加工制备的关键在于受控加捻，它指的是在加捻的同时控制两末端的轴向约束力并以一定速度相互靠近。受控加捻过程中加捻速度与末端靠近速度的控制对于SCFs的成功制备至关重要。它决定了加捻过程中纤维轴向内应力的变化情况，而轴向内应力的大小又决定了纤维是否满足自屈曲准则，进而影响超螺旋的具体形态和种类。作者们通过流变仪程序化设定了4种不同的加捻模式，对应不同的轴向内应力变化情况。最终发现，加捻过程中始终存在内应力的模式（缓慢同步模式、阶梯模式）更有利于成功制备SCFs。具体见图1。

图2. SCFs表现出超大应变的弹性拉伸行为，即超级类熵弹行为。

SCF阵列的超级类熵弹行为演示

  SCFs一个最明显的特征是其宏观形态与力学行为都与微观聚合物分子链的卷曲构象和熵弹行为十分相似（这也是其被称作超螺旋构象纤维的根本原因）。作者通过Langvein方程拟合，证明了SCF拉伸与分子链熵弹拉伸行为的相似性，所以将SCF的这种拉伸-回弹特性称为类熵弹行为，并进一步研究了SCFs拉伸过程中拉伸力与温度的标度关系，揭示了其拉伸力学行为的物理本质是分子链熵弹性与晶体普弹性的协同作用。SCFs可以通过类熵弹行为使一些本征不具有弹性的材料（如LDPE）获得明显的宏观弹性（即实现了材料性能“进化”），它可以被看作除化学交联弹性体、物理交联弹性体之外的一种新型弹性体。这种SCF弹性体具有高模量、大弹性区间、高损耗等特点，见图2。

图3. SCFs无外约束下的构象自稳定机制、扭曲储能（UTES）以及受激释能等特性。

SCFs的磁力受激释能

  研究还发现，SCFs具有独特的构象自稳定机制，其关键在于线团末端的力学平衡。通过特定刺激（重力、磁力、温度等）可以破坏其构象自稳定状态，从而释放储存在其内部的能量。SCFs这种自稳定与受激释能特性使其成为一种理想的无需外力约束的扭曲储能材料。作者通过先进动态流变仪，成功测量了SCFs解捻过程中的扭矩、转速等输出信号，并由此计算出了SCFs的能量密度与储能效率。发现SCFs的扭曲储能密度与效率在现有扭曲储能材料中都处于比较优秀的水平，特别的，LDPE-SCF的扭曲储能密度在所测的多种高分子扭曲储能材料中处于最高水平，高达16 kJ/kg。详情请见图3。

图4. LDPE-SCF可能经历的多尺度凝聚态结构微观扭曲演化和自增强行为。

  作者进一步通过研究LDPE膜在受控加捻过程中的聚集态结构演化情况，提出了一种可能的多级扭曲结构模型来解释LDPE-SCF超高扭曲储能密度的物理机制。该机制认为，LDPE-SCF的超高扭曲储能密度很大一部分来源于其晶区扭曲产生的普弹性储能，而非分子链尺度的熵弹性储能。同时还发现了解捻后的LDPE-SCF强度远高于初始的LDPE膜，说明在受控加捻过程中经历了复杂的材料自增强过程，比如晶区的完善、非晶区系带分子数量密度的增加等。这一点通过其结晶聚集态结构的演变可以得到解释。这说明受控加捻过程本身可以作为一种材料自增强的手段来理解，见图4。

图5. SCFs的缓冲吸能特性及其在软着陆等大规模工程应用中的潜力演示。

SCFs的缓冲作用（左）与普通纤维（右）的对比

  研究还发现SCFs在纤维构象展开的过程中，具有极强的能量吸收能力。为此，作者还对SCFs的缓冲能力进行了表征，通过重物下落实验和重物冲击实验均证明了其优异的构象展开吸能特性。受此启发，进一步探索了其可能的工程实际应用。比如，设计高性能SCFs用于航空航天返回舱的降落缓冲、高楼断电情形下的紧急逃生系统等，并借助重物下落撞击鸡蛋（类比生命）的演示实验证明了其在紧急情况下高楼逃生、重物软着陆等场景中的实际应用潜力，见图5。

  文献详情：

  Z. Zhao,J. Yang, W. Cai, G. Wen, Z. Zhu, Z. Liu, X. Fu, Z. Cao, Z. Liu, W. Yang, Y. Wang, Materials Evolution by Programmed Twisting: a DNA-Inspired Ultrastrong Supercoiled Conformational Fiber for Energy-Storage and Buffering. Adv. Mater. 2025, 2503330.

  文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202503330