可拉伸有机半导体光电器件在可穿戴传感器、共形贴合电子和弹性显示等领域具有广阔应用前景，但其材料基础仍面临应变作用机理不清以及多维度构效关系缺失的关键科学挑战。共轭高分子是一类具有扩展π共轭主链与柔性侧链协同构成的功能软物质，其分子间相互作用和结构响应行为显著区别于传统柔性聚合物体系：一方面，分子链的构象重排、取向演化以及聚集态结构变化直接决定材料的力学响应；另一方面，适度的π–π聚集又是维持电荷离域与高效传输的结构基础。因此，厘清应变作用下分子链构象与聚集态结构的动态演化规律，揭示结构演化与电荷输运及光电性能之间的内在关联，建立“材料结构—应变行为—功能响应”的构效关系，是实现可拉伸有机光电器件从“能够拉伸”向“可靠拉伸”转变的核心科学基础。

  针对上述目标，当前亟需发展能够解析应变过程中动态结构演化的新型原位表征方法学。近年来，团队围绕共振软X射线散射（Resonant Soft X-ray Scattering, RSoXS）方法学开展了系统研究，建立了基于化学选择性散射的软物质结构解析新手段（Rev. Sci. Instrum. 2012, 83, 045110；Nano Lett. 2011, 11, 3906–3911；J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 19248–19259；Eur. Polym. J. 2016, 81, 555–568；J. Phys. Condens. Matter 2021, 33, 313001）。通过发展碳边—氮边跨边共振散射技术，实现了对共轭高分子共混体系中不同组分的化学选择性定量解析，突破了传统小角X射线散射难以区分不同有机组分结构的关键瓶颈，揭示了复杂有机光电薄膜中相分离形貌的化学本质及其结构特征（Adv. Mater. 2022, 34, 2107316；Nat. Mater. 2022, 21, 656–663），为研究有机半导体复杂形貌奠定了重要基础。

  然而，当有机光电器件从静态刚性体系向动态可拉伸体系转变时，材料内部结构不再是静态分布，而是随应变实时演化的动态过程，不仅涉及相分离形貌的应力演变，也涉及分子链构象、结晶-非晶态之间的结构转变；因此，要解析可拉伸有机光电器件，必须解决共轭高分子薄膜在应变作用下从分子尺度到介观尺度的结构演化以及对光电性能的影响规律问题。

图（a）共振软X射线散射与（b）共振韧X射线散射的原理

  近期，上海交通大学刘烽教授、劳伦斯伯克利国家实验室先进光源王诚研究员和华南理工大学钟文楷副教授团队，结合先进同步辐射软X射线与韧X射线散射及谱学技术，系统揭示共轭高分子薄膜在机械应变过程中的跨尺度结构演化机制。研究通过近边X射线吸收精细结构谱（NEXAFS）、共振韧X射线散射（TReXS）和原位共振软X射线散射（RSoXS）等先进手段，建立从分子构象、晶体结构到形貌的完整关联图像，提出了由“链段取向与晶区破坏”主导的初始响应阶段，以及由“链段持续取向与链内扭转”主导的后续响应阶段构成的两步结构响应机制。这一跨尺度结构演化过程直接关联薄膜的应力耗散行为，并揭示了应变下光吸收能力、载流子输运能力及光电性能同步衰退的结构起源，为高性能本征可拉伸共轭高分子的理性设计提供了重要结构指导。同时，本研究依托同步辐射共振软/韧X射线散射与谱学协同建立的原位表征方法学体系，实现了对应变过程中结构演化的化学选择性与动态关联解析，使共振X射线散射技术从传统的静态形貌分析工具拓展为能够解析软功能材料动态结构演化与功能响应机制的通用方法学平台。

  2026年2月20日，相关成果以“Correlative molecular-to-mesoscale evolution in conjugated polymers for intrinsically stretchable organic photovoltaics”为题，发表在《Nature Communications》上。华南理工大学钟文楷副教授为论文唯一第一作者兼共同通讯作者，上海交通大学刘烽教授与劳伦斯伯克利国家实验室王诚研究员为共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金及发光材料与器件全国重点实验室自主研究课题等项目支持。

图1. 跨尺度关联表征揭示完整结构演化路径

  本研究以共轭高分子P(NDI2OD-T2)为模型体系，综合运用NEXAFS、TReXS和原位RSoXS等先进同步辐射技术，实现了从分子构象、晶体结构到介观形貌的跨尺度关联分析，构建了应变条件下结构演化的完整图景。

图2. 近边X射线吸收精细结构谱研究链取向与链内扭转

  基于偏振NEXAFS谱与分子动力学模拟，研究发现共轭高分子主链在拉伸过程中发生显著取向重排。同时，其NDI与BT单元之间的二面角随应变增大，直接证实了链内扭转的发生。这一结果从分子尺度揭示了应变过程中构象变化及其对应力耗散的关键作用。

图3. 共振韧X射线散射研究研究晶粒的差异化形变与破坏机制

  通过TReXS技术对晶体结构演化进行原位跟踪，研究发现晶粒响应机械应变呈现明显各向异性：平行于拉伸方向的晶粒主要通过晶面滑移实现应变适应，而垂直晶粒则发生更剧烈的晶面剥离和结构破坏。这一差异化响应机制揭示了晶体结构在应变过程中的破坏路径及其在应力耗散中的关键作用。

图4. 原位共振软X射线散射研究形貌尺度的取向

  结合原位RSoXS与AFM表征，研究直接可视化了纳米纤维网络在应变过程中的取向重排。薄膜由初始无序纳米纤维网络逐渐演变为沿拉伸方向取向的大尺度纤维聚集结构。散射图案呈现特征性的X形演化，其张开角度随应变呈现明显的两阶段变化行为：初期由链取向与晶区破坏共同驱动，后期则由链持续取向与链内扭转主导。应变释放后，结构仅部分恢复，表明大变形导致不可逆结构重构。

图5. 结构演化与性能的关联分析

  通过关联结构、力学及器件性能，研究建立了完整的结构—性能关联关系。应变诱导的链取向、晶体破坏与形貌重排虽有效耗散机械应力并赋予材料拉伸能力，但同时导致局域有序度降低，表现为吸收光谱蓝移及载流子输运能力下降。在本征可拉伸有机光伏器件中，30%应变导致器件效率下降约16%，直接证明跨尺度结构演化是光电性能衰退的根本结构起源。

  近年来，团队围绕本征可拉伸有机光电材料开展了系统研究，明晰协同提升共轭高分子薄膜光电性能与力学性能的基本策略，并展望领域的未来研究方向（《高分子学报》2024, ?55?, 1091）；提出分子模块化设计策略，通过分子结构—溶液聚集—薄膜形貌—器件性能的全链条控制，实现性能与拉伸性的协同优化（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202514985）；提出双网络结构，即通过外部应力耗散机制保护共轭功能网络，包括弹性体网络（Adv. Energy Mater. 2025, ?15?, 2403259）、室温自修复交联网络（Energy Environ. Sci. 2025, 18, 659）、无机纳米粒子应力重分布网络（Nat. Comm. 2026, 17, 1240），实现薄膜力学性能与光伏性能的同步提升，并验证了其在可穿戴供能场景中的工程可行性。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-68265-4