天然蜘蛛丝凭借卓越的承载能力和环境耐受性，持续启发高性能纤维的设计与制备。研究表明，这些优异性能很大程度上源于其特有的应变自适应力学行为，即不同力学性能随形变增加而依次激活。在小形变下，纤维表现出柔顺弹性，使蛛网能够适应微风等环境扰动，并在扰动消失后自发恢复初始形状；随着形变增加，纤维在狭窄的应变区间内迅速硬化，从而提高承载能力并降低损伤风险；随着形变进一步增加，纤维通过高效耗散能量缓冲猎物的冲击。三个阶段的力学行为协同作用，使蛛网能够有效捕获猎物，并适应不同强度的环境扰动。然而，在人造纤维中复现这一完整的应变自适应响应仍极具挑战，因为不同变形区间的力学行为依赖不同且相互制约的分子机制，而这些机制又必须随应变增加而依次激活。例如，纤维的弹性和柔顺性依赖于聚合物链段充分的运动能力，但过于松弛的链段构象可能延迟应力向交联节点的有效传递，削弱纤维的快速硬化与承载能力；高效能量耗散则需要交联节点在受力后能够逐步解离，但过早或过度解离又会削弱网络约束，难以维持快速硬化所需的承载结构。上述挑战在低温条件下会进一步加剧，因为链段运动和交联节点的动态性均可能受到抑制，导致纤维的柔顺性与耗能能力下降，并容易发生脆性断裂。而蜘蛛丝在低温下仍能保持应变自适应力学行为。

图1. 基于可逆交联策略构筑兼具应变自适应力学行为与耐低温性能的人造蜘蛛丝。

  针对上述挑战，吉林大学超分子结构与材料全国重点实验室孙俊奇教授、王晓晗助理教授团队借鉴天然蜘蛛丝的多层级结构，对以聚四氢呋喃（PTMG）为软段、经联吡啶基团与锌离子配位交联的聚氨酯进行湿法纺丝与后牵伸处理，在人造纤维中原位构筑由氢键和配位作用协同形成的超分子相分离结构及 PTMG 微晶。两者沿纤维轴向取向排列，共同充当天然蜘蛛丝中 β-折叠晶体的结构与功能模拟物，并协同交联非晶 PTMG 柔性链段，形成多层级可逆交联网络，从而成功复现天然蜘蛛丝的三阶段应变自适应力学行为与耐低温性能（图1）。

  2026年10月6日，相关研究以“A Reversibly Cross-Linked Network Enables Spider-Silk-Like Strain-Adaptive Mechanical Behavior and Low-Temperature Tolerance in Artificial Fibers”为题发表于 Advanced Functional Materials（DOI：10.1002/adfm.78844）上。论文的通讯作者为王晓晗助理教授，第一作者为康静博士。相关研究工作得到国家自然科学基金和吉林省自然科学基金的支持。

  如图2所示，所制备的纤维在应变低于15% 时保持高柔顺性和弹性，拉伸至 10% 应变并卸载后的残余应变仅为 0.9%；在 15% 至 35% 应变之间迅速硬化，模量由 45 MPa 增至 574 MPa；在应变高于 35% 时进入高效耗能阶段，阻尼效率最高可达 94%。快速硬化与能量耗散的协同作用，使纤维的断裂能达到 2060 kJ m^-2，并兼具高强度、高延展性、高韧性和优异的阻尼性能，其综合力学表现可与天然蜘蛛丝及代表性人造蜘蛛丝相媲美。即使温度降至 ?60 °C，纤维仍能保持完整的三阶段应变自适应响应；在所考察的温度范围内，其强度和韧性随温度降低而提高，展现出优异的耐低温性能。

图2. 人造蜘蛛丝的应变自适应力学行为以及抗撕裂能力。

  机理研究表明，人造纤维的应变自适应力学行为源于多层级可逆交联网络中的“应变门控应力传递”（strain-gated stress transmission，图3）。在低应变下，非晶 PTMG 链段主要通过解卷曲顺应变形，而 β-折叠晶体模拟物保持结构完整，为链段的可逆形变提供稳定约束，使纤维表现出柔顺弹性；在中等应变下，逐渐伸展的 PTMG 链段使应力更有效地传递至 β-折叠晶体模拟物，增强其承载贡献；在高应变下，持续传递的应力进一步驱动 β-折叠晶体模拟物发生形变和逐步解离，通过超分子相互作用的解离及相关结构变化实现高效能量耗散与阻尼。低温下，柔性链段仍保有一定的运动能力，交联结构仍可发生受力驱动的形变与解离，使上述分阶段响应得以维持，从而赋予纤维优异的耐低温性能。

图3. 人造蜘蛛丝多层级可逆交联网络中的“应变门控应力传递”。

  该工作提出了一种通过调控多层级可逆交联网络中的应力传递，实现力学功能顺序激活的仿生策略。该策略不仅在单一聚合物体系中集成了不同甚至相互制约的力学性能，还使柔顺弹性、快速硬化与高效耗能随应变增加而依次发挥作用，从而赋予纤维适应不同载荷水平的承载与缓冲能力。这一研究为高性能仿生纤维以及阻尼、冲击防护等功能高分子材料的设计与制备提供了新的参考。

  该工作是团队通过调控可逆交联聚合物的聚集态结构，提升材料力学性能与环境耐受性的最新进展。前期研究表明，在可逆交联的人造纤维中引入原位形成的超分子相分离纳米域，并调控其层级结构与动态特性，可以有效调节纤维的强度、韧性、阻尼性能及耐低温性能（ACS Materials Lett. 2025, 7, 2328–2336；Chemical Engineering Journal 2026, 528, 172607）。团队还围绕弹性体及纤维增强复合材料开展了相关研究，通过交联网络与聚集态结构调控，分别实现了弹性体耐高低温性能的提升，以及复合材料中应力传递的优化和抗撕裂能力的增强（Macromolecules 2025, 58, 885–896；Adv. Mater. 2024, 36, 2406252）。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78844