弹性体材料(人造橡胶, Elastomer)不仅在传统工业中不可或缺，在新兴产业，如可穿戴设备、柔性电子器件、软机器人，同样发挥着重要的作用。这些新兴产业十分依赖弹性出色的力学性能。尽管目前已有各种各样的合成弹性体，然而同时具有高韧性和高刚性的弹性体依然难以获得。比如，提高传统共价交联型弹性体的交联度虽然能提高刚度，然而也伴随着韧性的降低（图1）。构建均匀高分子网络和引入能量好似机制已经被广泛用于提高弹性体强度和韧度。提高高分子网络的均匀性虽然能一定程度上提高可拉伸性和强度，但是由于缺乏能量耗散机制，其对于韧度的提高有限。能量耗散通常是通过引入动态牺牲键（如预拉伸高分子链，金属有机配位键、静电作用、氢键等），该方法能够大幅度提高韧性，然而由于动态牺牲键的相互作用相对较弱，所获得的弹性体的刚性依然有待提高。自然界中，蜘蛛丝因为有多重氢键（6-10重），显示出了出色的力学性能。而合成弹性体中多重氢键的构筑容易引发合成过程中的分子链聚集沉淀，因此合成弹性体中氢键的数量难于提高。为了同时提高韧性与刚性，该工作通过扩链反应构筑了含有八重氢键的弹性体，同时通过柔性链的控制构筑均匀高分子网络。在八重氢键和均匀网络的贡献下，合成的弹性体显示出了优异的力学性能，同时获得高韧性、高刚性，且拥有出色的回弹性（图1）。

图1 八重氢键弹性体的设计及力学性能。

  出色的力学性能可以归因于弹性体所形成的多尺度结构（图2）。通过原位FTIR、XPS、调制式DSC、AFM、SAXS等揭示所制备弹性体的内部结构，可以发现弹性体拥有原子尺度的氢键、纳米尺度的氢键域，且在宏观上显示出均匀性。

图2 弹性体多尺度结构实验分析。

  氢键及氢键域在之前的众多研究中已被证实能够大幅度提高韧性，而该项工作中之所以有如此高的力学性能，还依赖于八重氢键的强度。为了探究八重氢键的作用，该工作运用DFT对八重氢键的强度进行了模拟分析，并运用分子动力学模拟所形成氢键域的强度（图3）。强度的大幅度提高对氢键增韧增强机制有着放大作用，在应力下能够更好抵御应变及耗散更多的能量。

图3 氢键及氢键域的模拟。

  为了进一步研究增韧增强机理，本工作采用原位SAXS揭示应变过程中材料微结构的演化。氢键域具有较高的模量，在施加应变前均匀分布，在应变中，它们会慢慢在拉伸方向上形成纵向排列，然后断裂，形成小的氢键域；进一步拉伸之后，柔性链段形成的软相慢慢被破坏。

图4 原位SAXS揭示弹性体内部结构的演化。

  所形成的超强氢键域不仅能够在微观尺度下产生作用，也能影响宏观尺度的裂纹扩展过程。通过原位SEM监测裂纹扩展过程可以发现，裂纹会首先钝化，然后偏转、分叉，而不是横向拓展。这是由于，所形成的较硬的氢键域与柔性链段形成的软相具有刚度不匹配，裂纹在软相中扩展遇到硬相会产生偏转，从而在宏观尺度下显示出裂纹偏转和分叉。

图5 原位SEM揭示裂纹扩展过程。

  综上所述，形成的氢键具有超高强度，能够提高链间摩擦和能量耗散；均匀高分子网络可以均匀地分散应力，避免应力集中；高强度的氢键域限制高分子链的运动，且能够通过构型转换耗散能量，减小应力集中，还能阻碍宏观的裂纹扩展，引起裂纹偏转、分叉，从而进一步耗散能量；宏观尺度下的均匀性，保证了材料没有宏观缺陷。由于以上原因，所制备弹性体拥有极其出色的力学性能，能够同时获得高韧性和高刚性，超越了众多合成弹性体。

  该工作由挪威科技大学、中科大、美国科罗拉多大学博尔德分校、日本京都大学、厦门大学与捷克布尔诺理工大学通力合作完成，文章近日发表于Advanced Materials。挪威科技大学纳米力学课题组(www.ntnu.no/nml) 的Yizhi Zhuo为第一作者，张志良教授和何健英教授为通讯作者，该课题组致力于断裂力学及纳米力学的研究，近年来主要关注软材料的设计及其在防粘附领域的应用。中科大李良彬课题组协助完成原位SAXS的实验及分析，科罗拉多大学博尔德分校Rong Long课题组参与力学表征及分析，京都大学 Takashi Sumigawa和Takayuki Kitamura教授协助原位SEM测试及分析，厦门大学吴建洋教授及捷克布尔诺理工大学研究员Petr ?esták进行了分子动力学及DFT计算。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008523