自然界中的天然材料通过精妙的多尺度结构与丰富的动态相互作用实现有效冲击耗散与安全防护，为高性能仿生阻尼材料的开发提供了设计灵感。随着人工肌肉、软体机器人、柔性可穿戴器件等领域的快速发展，高分子阻尼材料亟需兼具高强韧、大能量耗散、宽阻尼温域与强驱动应力等特性，但现有材料普遍面临分子间作用力相对较弱、高温大形变下能量耗散能力不足的瓶颈。液晶弹性体利用有序-无序液晶相变与交联网络的熵弹性，在较宽的温度范围内实现了有效的动态阻尼和可逆驱动，有望突破传统阻尼材料功能单一的局限。然而，通常高分子材料存在“力学、驱动、阻尼性能”的权衡矛盾：提升阻尼性能需引入更多的动态松弛路径，却会破坏液晶基元的长程有序度，削弱驱动性能与力学强度；反之，追求高驱动与高强韧，则会压缩链段运动空间，牺牲阻尼性能，三者难以在单一材料体系在实现有效的协同提升。
针对上述挑战，南开大学刘遵峰教授、赵维强副教授联合中国药科大学周湘教授、东华大学朱美芳院士团队，受天然蜘蛛丝中部分可解离的β-折叠纳米晶的能量耗散机制启发，开发出一种基于半互穿网络（Semi-IPN）的高阻尼多晶相液晶弹性体纤维。具体来说，该工作通过双螺杆挤出通道限域策略，实现了纤维的规模化连续制备；创新性地借助液晶线性链的端基分子工程，模仿蜘蛛丝中的β-折叠纳米晶，在半互穿网络纤维内构建了四种不同的液晶相。所得纤维同时实现了高达47.6 MPa的弹性模量、358%的断裂伸长率、60.4 MJ m-3的韧性、32.7 MPa的断裂应力、5.33 MJ m-3的耗散能（扭曲后可达5.61 MJ m-3）、88.6%的耗散系数及1.02 MPa的平均驱动应力，综合性能远超现有的液晶弹性体纤维。
2026年7月9日，相关成果以“Spider Silk-Inspired High-Damping Liquid Crystal Elastomer Fibers Enabled by Semi-Interpenetrating Networks”为题，发表在Advanced Materials上，第一作者为刘晓。
研究团队从分子设计（图1a、b）入手，分别合成了交联剂含量为4.5 mol%的液晶交联网络（LCN）和四种不同单巯基封端改性的线性液晶聚合物（LLCPs），再将LLCPs通过溶液浸润的方式穿插引入LCN中，构建出具有半互穿网络拓扑结构的液晶预聚物：交联LCN基体维持介晶有序度，提供力学稳定性与热驱动能力；穿插的LLCPs则通过动态氢键解离与链间滑移，强化体系的动态响应与能量耗散。然后，利用自主搭建的双螺杆挤出机熔融纺丝平台将半互穿网络液晶预聚物一步纺丝成型，最终所得的四种半互穿网络液晶弹性体（Semi-IPN LCE）纤维直径均匀、表面光滑，复刻了天然蜘蛛丝内“刚性纳米晶分散于柔性无定形基体”结构特征。与文献报道的其他同类阻尼材料相比，该纤维在弹性模量和有效阻尼温域两方面展现出显著优势（图1c），耗散效率和耗散能得综合表现也明显领先（图1d）。从网络级设计策略上看，本工作提出的单轴取向型半互穿网络策略在力学性能、耗散性能和驱动性能的主要指标上均表现出相对其他策略更全面的提升，有效缓解了模量-韧性以及驱动-阻尼之间的矛盾（图1e）。
图1. 仿生分子设计用于在双螺杆挤出熔融纺丝中构建优异的力学、致动和阻尼性能。（a）天然蜘蛛丝与熔融纺丝半互穿网络液晶弹性体（Semi-IPN LCE）纤维制备的对比示意图。受蜘蛛丝中β-折叠纳米晶体的启发，将cSmC相引入Semi-IPN-MAA LCE纤维中，从而在拉伸过程中实现协同能量耗散行为。（b）制备Semi-IPN LCE纤维的分子工程策略。步骤（i）展示了所得四种纤维的2D-SAXS图案及其对应的液晶相结构示意图，箭头表示纤维的长轴方向，γ表示cSmC相中层状法线与指向矢轴之间的角度；步骤（ii）涉及合成用C=C基团封端的LCN；步骤（iii）显示了在DBU催化下使用单硫醇封端剂对LLCP前体进行改性，避免在LCN基质中溶液浸没期间发生不希望的化学反应。（c）本工作中Semi-IPN LCE纤维的弹性模量和有效阻尼温度范围与其他报道的典型LCE、凝胶和商用阻尼材料的比较（d）不同阻尼材料的耗散系数与耗散能量的Ashby图。(e) 雷达图用于比较目前的网络级设计策略，这些策略同时提升了液晶弹性体（LCEs）的机械性能、驱动性能和阻尼能力。
研究团队系统表征了所得半互穿网络液晶弹性体纤维的力学性能，得益于半互穿网络的拓扑增强与多重氢键的协同效应，四种半互穿网络液晶弹性体纤维的力学性能均较传统单网络液晶弹性体纤维实现了显著提升（图2a、b）。其中Semi-IPN-MAA LCE纤维具有最优的综合力学性能，其应力-应变曲线的变化规律与天然蜘蛛丝高度吻合，呈现出“弹性形变-氢键滑移-网络荷载”的三段式形变特征，为类β-折叠纳米晶的仿生构建提供了直接证据。原位拉伸下的小角X射线散射结果进一步阐明了其微观变化机制（图2c、d）：Semi-IPN-MAA LCE纤维的典型V型近晶C相（cSmC）在拉伸过程中逐渐解构坍塌，受不对称氢键阵列约束的LLCPs在近晶层间滑移，可逆氢键解离引起的链间摩擦不断将机械能转化为热能。为进一步探究Semi-IPN-MAA LCE纤维的驱动性能，团队利用力传感器实时记录下其在多次热循环驱动过程中的平均驱动应力约为1.02 MPa（图2e），约是传统单网络纤维（0.72 MPa）的1.4倍。同时，不同施加应力下的驱动应变和做功能力结果表明，该纤维在零荷载下的驱动应变约为37.7%，而在施加0.73 MPa的应力下，最大做功能力可高达246.5 MJ m-3（图2f）。与传统单网络液晶弹性体纤维相比，半互穿网络的结构设计实现了纤维力学性能的增强（图2g）。
图2. 半互穿网络液晶弹性体（LCE）纤维的力学性能、驱动性能和阻尼特性。（a）Semi-IPN-MAA LCE纤维（绿色）和天然蜘蛛丝（橙色）的应力-应变曲线。（b）Single-network、Semi-IPN-EM、Semi-IPN-ME、Semi-IPN-MAA及Semi-IPN-MCH纤维在最优条件下的断裂应力、弹性模量和韧性比较。（c）Semi-IPN-MAA LCE纤维在连续施加应变下的1D-SAXS原位拉伸曲线。虚线框标出了其随应变增加的结构变化。（d）Semi-IPN-MAA LCE纤维的2D-SAXS图案，与1D-SAXS曲线中观察到的cSmC特征峰一致。（e）Semi-IPN-MAA LCE纤维在15次热循环中的驱动应力。（f）Semi-IPN-MAA LCE纤维在从室温到液晶相变温度以上的多个循环中，不同施加应力下的驱动应变，插图显示了其在不同施加应力下的平均做功能力。（g）Semi-IPN-MAA LCE纤维的断裂应力和韧性，与已报道的LCE及人工肌肉的性能对比。
为进一步评估所得半互穿网络液晶弹性体纤维的阻尼性能，研究团队在不同施加应变下进行了循环加卸载实验。结果表明，四种半互穿网络纤维在低施加应变下的耗散能、耗散系数和弹性模量均显著高于传统单网络纤维（图3a、b），其中Semi-IPN-MAA LCE纤维在100%施加应变下展现出最优组合：耗散能为5.33 MJ m-3、耗散效率为88.6%和弹性模量为47.6 MPa。在纤维中插入捻度是一种古老但高效的性能增强策略，随着捻曲密度的增加，单根纤维的构象逐渐由扭曲演变为完全螺旋（图3c），完全螺旋构象的纤维因引入了额外的退绕过程和高密度的弹簧结构，其耗散能和弹性模量分别跃升至5.61 MJ m-3和63.1 MPa，但纤维刚度的增强使一部分输入能量更多地转向弹性回复而不是耗散，导致其耗散效率降低至73%（图3d、e）。不同形变速率下Semi-IPN-MAA LCE纤维的单轴拉伸结果表明，较高的形变速率会导致该纤维的应变减小但应力增加，揭示了其速率依赖的粘弹性行为（图3f）。同时，Semi-IPN-MAA LCE纤维的应力松弛实验又展现了其在5%施加应变下仅需139秒即可完成内应力松弛过程，这归因于半互穿网络内MAA-LLCPs链间滑移引起的多中心氢键阵列的快速断裂和重组；相比之下，单网络即使在施加如此小的应变下也无法完全松弛，仍有约20%的内应力以弹性势能的形式被保留（图3g）。这些结果证实了Semi-IPN-MAA LCE纤维内存在一种依赖应变的应力松弛机制：在低施加应变下表现为以粘弹性为主的快速松弛，而在高施加应变下则表现为以熵弹性为主的慢速松弛（图3h）。
图3. 半互穿网络液晶弹性体纤维的粘弹性和能量耗散特性。（a）Single-network、Semi-IPN-EM、Semi-IPN-ME、Semi-IPN-MAA及Semi-IPN-MCH纤维在不同施加应变下循环加载-卸载拉伸试验的耗散能对比。（b）Single-network、Semi-IPN-EM、Semi-IPN-ME、Semi-IPN-MAA及Semi-IPN-MCH纤维在不同施加应变下的弹性模量对比，所有弹性模量均根据应力-应变曲线在0-5%应变范围内的斜率计算得出。（c）Semi-IPN-MAA LCE纤维的SEM图像，随着捻曲密度的增加，从左至右依次为非扭曲、扭曲、部分螺旋和完全螺旋的纤维形貌。（d）非扭曲、部分螺旋和完全螺旋的Semi-IPN-MAA LCE纤维在100%施加应变下的循环加载-卸载曲线。（e）非扭曲和完全螺旋的Semi-IPN-MAA LCE纤维间耗散能量和弹性模量的比较。（f）Semi-IPN-MAA LCE纤维在不同形变速率下单轴拉伸试验的应力-应变曲线。（g）Semi-IPN-MAA和single-network LCE纤维在5%施加应变下的归一化应力松弛曲线，插图为由MAA-LLCPs滑动引起的动态氢键断裂和重建的能量耗散机制。（h）在施加5%至40%的应变下Semi-IPN-MAA LCE纤维的归一化应力松弛曲线，插图为应力归一化的方法。
在液晶弹性体纤维内构筑半互穿网络能有效实现力学性能、驱动性能和阻尼性能三者的协同提升，这与其液晶相变行为密切相关。为系统阐明相变规律，研究团队采用连续变温SAXS对Semi-IPN-MAA LCE纤维进行表征（图4a、b）。环境温度低于40 °C时，体系始终维持cSmC相的结构特征；升温至60 °C时，SAXS图谱内仅保留了一组垂直于纤维长轴方向的对称圆弧散射、择优取向区发生方向转置，证实了cSmC相中倾斜排列的液晶基元恢复为平行层面的Smectic相有序排列（V型结构坍塌，发生cSmC-to-Smectic相转变）；继续升温至75-85 °C，体系内更多的弱相互作用力被分子热运动抵消，对称圆弧散射特征峰的强度增强，介晶倾斜角γ由~38°降至0°；进一步升温至100 °C，分子链的热运动足以克服半互穿网络内的拓扑约束，对称圆弧散射信号消失、择优取向区再次发生方向转置而不是弥散消失，说明了纤维的长程有序性下降但液晶基元的取向特征仍被部分保留（层状结构坍塌，发生Smectic-to-N相转变）；当温度升高至120 °C时，SAXS图谱内的散射强度迅速衰减、择优取向区完全消失，说明了体系进入了各向同性态（有序结构消失，发生N-to-iso相转变）。
自然冷却至室温后，纤维暂时恢复至N相，这是因为近晶相的形成需要在分子取向有序的基础上建立起周期性层状结构，动力学能垒显著更高，无法在短时间内直接形成。随着链段运动或弛豫的时间延长，N-to-SmC相转变的动力学能垒被克服，体系自发地向自由能更低的热力学亚稳态转变，这一过程高度依赖多中心氢键网络的重建。继续延长弛豫时间至7-30天（图4a、c），热力学稳态cSmC相的三组层状特征峰逐渐重现，在长时间尺度上实现了热力学可逆性，这主要得益于交联网络的拓扑约束提供了记忆效应。这些结果证实了清晰揭示了该体系内受动力学与热力学共同调控的复杂液晶相变行为，明确了其从动力学控制的亚稳态向热力学控制的平衡态演变的完整路径。
差示扫描量热（DSC）测试进一步验证了该连续相变过程（图4d），第一次加热的DSC曲线中共出现4个吸热峰或斜坡，其特征温度分别对应体系的玻璃化转变过程（Tg = 1.8 °C）、cSmC-to-Smectic液晶相变（TcSmC = 59.7 °C）、Smectic-to-N液晶相变（TSmectic = 97.9 °C）与N-to-iso液晶相变（Ti = 112.3 °C）。不同退火时间和冷却速率下的DSC测试（图4e、f）显示，延长退火时间或加快降温速率均会导致第二次加热过程中SmC-to-N相变特征温度TSmC右移升高，热效应信号由尖吸热峰转变为宽吸热斜坡，反映了多畴结构演化与动力学阻滞效应。与其他经典体系相比（图4g），本文在半互穿网络液晶弹性体纤维内精准构筑的cSmC-Smectic-N-iso连续液晶相变过程是一种全新的、独特的热致液晶相变。
图4. Semi-IPN-MAA LCE纤维热致液晶相变行为的系统分析。（a）Semi-IPN-MAA LCE纤维的连续变温原位SAXS分析（升温速率为5 K/min），并记录下7个特定温度（20、40、60、75、85、100、120 °C）的2D-SAXS图谱。加热至120°C后，对刚冷却至室温、在室温下自然退火不同时间（2小时、3天、7天和30天）的样品进行2D-SAXS表征。双箭头表示纤维的长轴方向，γ表示在cSmC相中层状法线与指向矢轴之间的角度，红色虚线框所包围的区域为与纤维织构相关的择优取向区。（b）与图5a中的2D-SAXS图谱对应的Semi-IPN-MAA LCE纤维在7个特定温度下的1D-SAXS曲线。（c）与图5a中的2D-SAXS图谱对应的Semi-IPN-MAA LCE纤维在不同退火时间下的1D-SAXS曲线。（d）Semi-IPN-MAA LCE纤维在第一次加热扫描（红色）、第一次冷却扫描（蓝色）和第二次加热扫描（绿色）中记录的DSC曲线。（e）第一次加热扫描后，Semi-IPN-MAA LCE纤维在150°C退火不同时间（10、30和60分钟）下记录的DSC曲线。（f）第一次加热过程后，Semi-IPN-MAA LCE纤维不同冷却速率（-2、-5和-10 K/min）下记录的DSC曲线。（g）Semi-IPN-MAA LCE纤维与四种经典LCE体系的热致连续液晶相变的总结与对比。
研究进一步揭示了Semi-IPN-MAA LCE纤维的阻尼性能和应用潜力：时间-温度叠加分析（TTS）的结果表明，储能模量G''''''''、损耗模量G''''''''''''''''和损耗因子tanδ均随剪切频率的增大而增大，在参考温度Tref. = 60 °C有效阻尼频率范围为1-30 000 Hz（tanδ>0.3），远超传统单网络液晶弹性体纤维（图5a）。Semi-IPN-MAA LCE前体薄膜的变温定频扫描结果（图5b）显示，样品的G''''''''和G''''''''''''''''均随温度升高而减小，tanδ曲线存在三个过渡峰，有效阻尼温域为0-150 °C（tanδ>0.3）。弹性体纤维的损耗因子大于0.2通常被视为有效阻尼，Semi-IPN-MAA LCE纤维的热机械动态分析（DMA）的结果证实，其tanδ曲线从左到右依次在19.4 °C、73.7 °C和136.5 °C出现三个特征峰，有效阻尼温域为1-150 °C（tanδ>0.2）。特别地，73.7 °C附近出现的宽化损耗响应峰主要由cSmC-to-Smectic液晶相变所贡献，同时也包含着Smectic-to-N液晶相变的松弛行为（图5c）。
基于上述半互穿网络液晶弹性体纤维的优异性能，研究团队采用经向与纬向纤维正交交叉的编织工艺，制备得到Semi-IPN-MAA阻尼网，用于粘弹性恢复和动态耗散测试。一方面，在粘弹性恢复测试（图5d）中，记忆恢复时间被用作评估其阻尼性能的定量指标，定义为在室温下从卸载到接近初始状态的持续时间。时间越长，阻尼网以热能形式耗散的能力越多，这主要是由于分子链间的滑动摩擦和加载时多中心氢键的动态断裂，导致可用于粘弹性恢复时的储存弹性势能显著减少。结果表明，Semi-IPN-MAA阻尼网的记忆恢复时间为9.6 s，远远超过其他五种由不同材料编织得到的对照组，展现出较为优异的阻尼性能（图5e）。另一方面，在动态耗散测试中，四种具有代表性的弹性体基阻尼网的阻尼性能被评估（图5f），并选取回弹比（回弹高度与起始高度的商）作为定量指标。结果表明，与其他阻尼网相比，Semi-IPN-MAA阻尼网的回弹比低至5.9%（图5g），反映出弹性逐渐降低而阻尼增强。总的来说，Semi-IPN-MAA LCE纤维的所有性能指标均优于人类骨骼肌纤维，力学性能和驱动性能的综合表现也优于其他已报道的LCE基人工肌肉（图5h）。
图5. Semi-IPN-MAA阻尼网用于粘弹性恢复和动态耗散应用。（a）对经紫外线固化的Semi-IPN-MAA LCE前体进行TTS分析，使用旋转流变仪在参考温度60 °C（Tref. = 60 °C）下构建主曲线，插图显示了tanδ随频率的变化。（b）在1 Hz频率和1%振荡应变下，经紫外线固化的Semi-IPN-MAA LCE前体的G''''''''、G''''''''''''''''和tanδ曲线与温度的关系图，突出了0-150 °C的有效阻尼温度范围（tanδ > 0.3）。（c）由DMA分析得出Semi-IPN-MAA LCE纤维的储能模量（E''''''''）和tanδ曲线随温度的变化，确定了1-150 °C的有效阻尼温度范围（tanδ > 0.2）。（d）粘弹性恢复测试中Single-network与Semi-IPN-MAA阻尼网（网尺寸为9 cm×9 cm）的数码快照，左上角插图展示了编织策略，每组照片的第一行显示正视图，第二行显示侧视图，红色和黄色虚线椭圆圈出了显著变形的区域。（e）分别由Semi-IPN-MAA LCE纤维、single-network LCE纤维、聚氨酯纱线、芳纶纤维、聚乙烯纤维和硫化橡胶条编织得到的阻尼网在粘弹性恢复测试中的记忆恢复时间对比，插图展示了整个测试过程的示意图。（f）动态耗散测试中的三个阶段：初始阶段、加载阶段和卸载阶段的数码照片。（g）分别由Semi-IPN-MAA LCE纤维、single-network LCE纤维硫化橡胶条和聚氨酯纱线编织得到的阻尼网在动态耗散测试中的回弹率。（h）Semi-IPN-MAA LCE纤维（红色）的断裂应力、弹性模量、韧性、断裂伸长率、驱动应力、驱动应变和做功能力性能对比雷达图。
综上，本研究受天然蜘蛛丝中可解离β-折叠纳米晶体的启发，创新性地将半互穿网络拓扑设计与端基调控液晶相策略相结合，在不牺牲阻尼能力的前提下，实现了机械性能和驱动性能的增强，解决了液晶弹性体中长期存在的机械性能、驱动性能和阻尼能力之间的权衡问题。同时，本研究揭示了一种全新的cSmC-Smectic-N-iso连续液晶相变过程，这进一步放大了低模量弹性体中粘弹性恢复效应的优势，表现出卓越的恢复性能和循环稳定性。本研究所提出的策略能够在单一材料平台内整合以往不可调和的特性，这不仅为自组装动态网络、多功能聚合物材料和高性能弹性体阻尼材料的开发与设计提供了通用框架，有望推动液晶弹性体在人工肌肉、软机器人、智能减震与防护系统等领域的应用发展。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73958
