同一种材料，能否像细胞分化那样在不同状态间自由切换，时而柔软、时而强韧？

  2026年10月6日，华南理工大学郎超教授团队，以Block copolymer multistate material circuit为题在Nature Communications发表最新工作：他们基于双晶性嵌段共聚物PCL-PEO-PCL，构建了一套多状态材料回路。仅靠结构调控（不改化学组成、不添填料），就让同一块材料实现8种可稳定存在的力学状态，且每个状态之间还可连续微调出一系列中间微状态，配合31条状态切换路径。

图 1 MMC 体系由物理交联点连接的、微相分离的半结晶A链段与B链段结构构筑而成。采用由A、B两链段的结晶度（χ_c,A、χ_c,B）和Hermans取向因子（fA、fB）构成的2×2矩阵，对体系状态进行定量描述。为表征体系的关键状态，将链段结构域分为四类：无定形态（Am）、非取向结晶态（NC，其中χc ≤ 10% 记为NC''）、中等取向结晶态（MC）和高取向结晶态（HC）。材料的整体状态定义为A链段结构域状态后接B链段结构域状态

图2 以电路式示意图绘出体系的关键状态、触发方式与状态转变路径。采用同一种聚合物C₄₀₀O₁₈₁₈C₄₀₀即可在不同状态下获得宽范围的力学性能。依据材料性能与转变行为，列出8个主要状态：3个水凝胶态（NCAm、NC''Am、MCAm，蓝色）和5个干材料状态（NCNC、NCHC、MCMC、MCHC、HCHC，红色）。双向箭头与单向箭头分别表示经对应触发方式实现的可逆与不可逆转变；虚线表示包含一系列中间态的连续转变。除AmAm用于体系复位外，其余状态均可在室温下稳定使用。每个主要状态所示的力学性能为其某一微态的代表值，由工程应力–应变曲线测定，数据为三次独立测量的平均值。

1.四个参数，定义一种"材料态"

  团队利用一个2×2参数矩阵定量描述材料状态：A、B两种嵌段各自的结晶度（χc）和Hermans 取向因子（f）。通过水合、加热、冷拉等8种不同触发方法，材料可在水凝胶态（模量0.1 MPa）和干材料状态（模量0.88 GPa）之间切换——数秒内模量变化8800倍。

2.一种材料，多种性能

• 最刚硬状态（HCHC）：真应力738 MPa，韧性 441 MJ/m³，超过蜘蛛丝

• 一根 0.3 mg的纤维可以吊起300 g重物——自身质量的100万倍

• 对拉实验中，它拉断了等长等重的不锈钢丝

• 冲击力缓冲作用最高达94%，优于UHMWPE和Kevlar

• 驱动性能可以超过骨骼肌：驱动行程80%、驱动应力18.7 MPa、能量密度300 J/kg（骨骼肌分别约为 40%、0.35 MPa、39 J/kg）

图3 MMC 体系展现出广谱的力学性能。(a) NC''Am态纤维照片。(b) 不同浓度（5、10、15、17 wt%）C₄₀₀O₁₈₁₈C₄₀₀所得NC''Am的SAXS实验数据与模型拟合曲线，对应不同的微区尺寸。(c) 物理交联无序球形微区的TEM图像。三次独立实验获得一致结果。(d) 拉伸应力–应变曲线显示力学强度按NC''Am → NCAm → MCAm 依次增大。(e) 拉伸后，NC''Am中A链段结构域取向度提高、结晶度增大，而NCAm中无此现象。(f) MMC的模量横跨数个数量级。(g) 体系在低模量态（NCAm）与高模量态（NCNC）之间切换超过100次而性能不衰减；圆点与三角为均值，误差棒为标准差（s.d.，n = 3次独立测量）。(h) 通过精细调控MCMC与HCHC之间的微态，实现力学性能的连续调控。(i) HCHC可承载自身体重百万倍的重量（0.3 mg纤维承载 300 g重物）。(j) HCHC与等长等重的不锈钢丝对拉时拉断不锈钢；两者长度均为10 cm，质量均为0.3 mg。

图 4 可调控的颈缩与应变硬化行为，实现高效冲击缓冲。(a) NCHC 与 MCHC 之间精细调控的系列状态。(b) 精细调控的NCHC系列状态的应力–应变曲线呈现可调控的颈缩与应变硬化行为，应变速率为1 min^-1。左插图：单根纤维同时包含NCNC与HCHC区域 —— 对 NCNC 样品局部施加刺激方式8（冷拉伸），受拉区转变为HCHC，其余部分仍保持NCNC。右插图：NCHC的颈缩扩展过程。(c) 本工作与其他颈缩 / 应变硬化聚合物的性能对比。(d) 25 g 落锤冲击下MCHC的冲击力缓冲效果。(e) NCNC部分颈缩样品的POM与SEM图像；颈缩区因原纤化而呈现高度取向结构。三次独立实验获得一致结果。(f) 与 HDPE 相比，NCHC 可使冲击力降低94%。(g) 不同颈缩应变下HCHC与NCHC的冲击力缓冲效率；三角为均值，误差棒为标准差（s.d.，n = 3 次独立测量）

3.三个应用场景展示

1. 自收紧缝合线：遇血液自动收缩闭合伤口，模量可调，不拉扯创面

2. 汗触发智能织物：出汗时自动打开通风通道，无需外接电源

3. 微马达：扭转纤维脱水驱动，转速可达500 rpm，恢复率 90%，能够驱动模型小船

图 5 驱动功能在自闭合缝合线、智能织物与旋转马达中的应用。(a) HCHC在不同温度下的 POM 图像表明驱动在约60 °C启动。(b、c、d) 通过材料状态参数调控，实现驱动行程、速度与应力的灵活调控；加热采用将纤维垂直悬挂于两块热板之间的方式。(e) 自闭合缝合线、减张胶带与医用织物可在接触血液时自动收紧、原位闭合伤口。(f) HCHC作为智能服装内嵌件，在汗液触发下转变为MCAm状态，加速空气流通与散热。(g) 上图：按 1000、2000、3000 转 / 米程序扭转的微马达光学显微镜图像，三次独立实验获得一致结果。下图：该马达转速快且可调，可驱动模型小船。

无化学交联，用完容易循环再利用

  整个体系无化学交联、无外加填料，全部靠物理交联和结晶结构。用完可以通过水和/加热复位，甚至回收成原始聚合物重新纺丝——实现了"一种材料、多种功能、闭环回收"。

  论文第一作者为华南理工大学博士研究生魏宏鑫，通讯作者为郎超教授。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-78278-2