从日常使用的手机屏幕到航空领域的飞机舷窗，有机玻璃作为一种重要的透明材料，已广泛应用于现代工业与生活的诸多方面。然而，传统高分子有机玻璃长期面临着一个根本性难题：强度、硬度与韧性难以兼得。当材料设计追求更高的表面硬度时，分子链段运动受限，往往导致韧性下降、抗冲击能力减弱；反之，若为提升韧性而增强链段的活动能力，表面硬度又难以保证。这种源于高分子链状结构的固有矛盾，成为制约有机玻璃向高端领域拓展的“性能天花板”。为突破这一局限，学界与工业界开展了持续探索，包括引入纳米填料构建复合材料，以及在分子链间构筑超分子相互作用。这些策略在一定程度上优化了材料性能，但始终未能跳出高分子链的基本框架，“鱼与熊掌不可兼得”的根本矛盾依然悬而未解。那么，如果放弃传统的聚合物长链，换一种搭建方式构筑玻璃会怎样？

  跳出传统思维框架，华南理工大学殷盼超教授团队另辟蹊径，提出以刚性分子颗粒替代高分子链的全新构建策略。他们选取尺寸不足1纳米的刚性分子颗粒——多面体笼状寡聚倍半硅氧烷（POSS）作为基本结构单元，其原子结构精确可控，如同乐高积木般稳定规整。进一步地，团队利用可逆的“动态硼酯键”作为智能连接件，将这些纳米颗粒精准拼接，构筑出三维网络结构。这一策略不仅突破了传统有机玻璃的性能局限，更开创了一种全新的设计范式：在保留高机械强度与透明性的同时，实现了硬度、粘附性、加工性与抗冲击性的均衡提升。

  实验结果显示，该材料展现出全面而优异的性能：

• 高透明度：透光率超过89.5%，视觉清晰度媲美传统光学玻璃。

• 高硬度与强度：弹性模量达1.79 GPa，硬度达0.36 GPa，兼具耐磨与刚性。

• 优异抗冲击性：能量耗散能力高达258.14 J cm?3，超越典型聚合物。

• 良好的加工性：可通过简单热压制备厚度仅1.3 μm的超薄薄膜。

• 强粘附力：得益于丰富的B-O键与羟基，对玻璃基底的搭接剪切强度高达 8.20 MPa。

  具体地，这种新型有机玻璃的构建思路清晰而精巧：以携带8个邻二羟基的POSS分子簇为结构单元，以1,4-苯二硼酸为交联剂，通过二者之间形成的动态硼酸酯键，将离散的“纳米积木”连接成三维网络。研究者通过核磁共振与红外光谱证实了动态共价键的成功构建，而小角X射线与中子散射技术则进一步揭示其微观结构：交联后的POSS核心保持完整，并在网络中均匀分散，原有的POSS聚集体被解构，为后续优异的宏观力学性能奠定了结构基础。研究同时发现，当PBA含量过高时，部分未反应的PBA会结晶析出，这一发现也为优化材料配比提供了明确指导。

图1 分子颗粒玻璃的设计策略与结构表征

  POSS@PBA粉末可在温和条件（60 °C）下被加工成任意形状，甚至制备成厚度仅1.3微米的超薄薄膜，展现出优异的加工适应性。光学测试表明，其透光率超过89.5%，与石英玻璃和PMMA相当，透明度随PBA含量增加略有下降，过高时因相分离和微晶形成导致不透明。力学性能随PBA含量呈现大范围调控：低含量时材料柔软可拉伸（模量3.51 MPa），高含量时转变为刚性玻璃（模量1.79 GPa，提升近500倍），剪切模量在宽温区内保持GPa水平。通过重熔-再固化循环，材料可完全恢复原始性能，实现闭环回收。这一结果清晰地揭示了交联密度对材料性能的决定性影响。

图2 MGM玻璃的加工性能、光学透明度与力学性能

  纳米压痕测试揭示了材料力学性能随PBA含量的演变规律：随着PBA含量增加，弹性模量从1.48 GPa提升至3.92 GPa，硬度高达0.36 GPa，接近聚酰亚胺甚至铝合金水平。然而过高PBA含量因空间位阻导致交联密度饱和，力学性能不升反降。分离式霍普金森压杆测试进一步证实其卓越抗冲击性：POSS@PBA-4:1在高速冲击下仍保持结构完整，最大流动应力达695 MPa，冲击韧性高达258.14 J cm?3。这一优异性能源于双重协同机制——快速氢键瞬时耗能，慢速硼酸酯交换驱动结构恢复。此外，材料经多次再加工后力学性能几乎无衰减，且在接近玻璃化转变温度时展现出划痕自修复能力，为极端条件下的应用提供了可靠保障。

图3 MGM玻璃的力学性能深度解析：纳米压痕与动态冲击

  为揭示其优异力学性能的物理起源，研究者采用宽带介电谱对材料的动力学行为进行探测。与POSS前驱体相比，交联后的POSS@PBA-8:3在高温区出现归属于硼酯键交换动力学的额外松弛过程，其α和β松弛因结构受限而显著减慢，而γ松弛因PBA插入导致POSS间距增大反而加快——快速次级松弛的保留为材料在高速冲击下实现高能量耗散提供了结构基础。动态共价键与密集氢键的协同作用，构筑了兼具高模量、高硬度和优异抗冲击性能的强韧网络。在粘附性能方面，POSS@PBA对玻璃表面展现出高达8.20 MPa的剪切强度，破坏模式为内聚破坏，证实其界面键合强度已超越材料自身内聚强度。硼酸酯键的水解敏感性赋予材料按需脱粘的刺激响应特性，进一步拓展了应用场景。经济高效的制造工艺与闭环可回收性，使该材料高度契合当前绿色生产与原子经济性的发展理念。

图4 MGM玻璃的多级动力学与粘附性能

  该项工作利用动态硼酸酯化学，以亚纳米尺度的POSS为结构单元，成功构建了一类全新的分子颗粒玻璃。重要的是，这种“无聚合物”的设计策略，从根源上破解了困扰材料界近百年的强度-韧性悖论。从修修补补到重新奠基，分子颗粒玻璃的诞生，或许正是下一代高性能光学与防护材料的新起点。该成果最近以“Dynamic Covalent Networks of Molecular Clusters for Hard and Impact-Resistant Glass with Feasible Processability”为题发表在“Advanced Science”上，论文的通讯作者为华南理工大学殷盼超教授。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202524238