高性能弹性体在柔性/可穿戴电子设备、软体机器人、3D打印、航空航天和工业密封减震系统、以及生物医用材料等前沿领域展现出极大应用潜力，但其极端服役环境对材料的强度、韧性、抗撕裂及耐磨性提出了多维度且严苛的性能要求。传统弹性体受限于链间氢键作用有限和微相分离结构通常较大且分布不均，导致力学强度不高、裂纹易扩展、耐磨性差，特别是强度与韧性此消彼长的内在矛盾长期难以突破。聚氨酯-脲（PUU）弹性体凭借高密度氢键和微相分离结构备受关注，但常规聚氨酯体系在分子设计和性能调控上仍面临瓶颈。自然界中，蜘蛛丝通过有序的高密度氢键网络及纳米尺度的微相分离结构，实现了强度与韧性的完美协同。因此，如何通过仿生分子设计提升氢键密度并精确调控微相尺寸，如何应用先进表征技术揭示力学增强的微观机制，从而获得兼具超强韧、耐撕裂和高耐磨的弹性体，成为该领域亟待突破的关键科学问题。

  近日，南开大学王粉粉/孙平川联合河北工业大学陈胜利提出了一种利用氢键氨基脲新型扩链剂实现高强韧、抗撕裂和高耐磨聚氨酯弹性体的新策略, 并采用从原子到纳米的多尺度实验表征技术和理论模拟方法，揭示了几何受限高密度多重氢键有序组装和抑制微相分离尺寸的微观物理化学机制。该工作受蜘蛛丝高密度氢键有序组装结构的启发，通过设计一类新型氢键氨基脲聚氨酯扩链剂，并采用两种具有几何结构及分子运动互补的扩链剂间协同互锁的几何受限策略，迫使硬段高度有序堆积并最大化氢键密度，成功构筑了兼具超高强度（120.2 MPa）、高韧性、优异抗撕裂性和高耐磨性的PUU弹性体。采用多维固体核磁共振（ssNMR）并结合全原子分子动力学（MD）模拟及其它表征技术，揭示了氨基脲扩链剂形成的高密度有序氢键硬段是实现优异力学性能的核心驱动力，而多嵌段主链上结构互补扩链剂的几何限域效应进一步增强了链间超分子相互作用并有效限域微相分离尺寸，同时抑制硬段高分子链运动，使力学性能得到大幅提升。基于此独特相区结构及高密度动态氢键网络，材料还兼具优异的抗疲劳性、高耐磨性及可回收性。该工作揭示的几何限域高密度氢键组装新机制和发展的新型氨基脲扩链剂，为开发高强韧和长期服役性能的新一代聚氨酯弹性体提供了一种富有广阔应用前景的新策略和新材料平台。

  2026年8月29日，相关论文以“Strong and Crack-Tolerant Elastomers via Geometrically Confined H-Bonding Semicarbazides”为题发表在《Nature Communications》期刊，论文第一作者为南开大学李茹娟博士。

  研究团队受蜘蛛丝中链间β-折叠高密度氢键组装协同多嵌段主链抑制微相分离尺寸的启发（图1a），设计合成了两种含有高密度氢键位点的氨基脲类新型聚氨酯扩链剂（图1b）——HMDAA和IPDAA。二者在分子构型上具有空间几何及分子运动的互补性，在等摩尔比混合制备的聚氨酯（PUU-HI）中，可自发结构“互锁”形成几何限域效应抑制硬段分子运动，迫使硬段发生高度有序的紧密堆积，进而显著提升氢键密度并形成更加规整和更小尺寸的微相分离结构。

图 1. 新型PUU 弹性体仿生分子设计思路与氨基脲扩链剂结构

  相比于目前聚氨酯中得到广泛应用的传统二醇、二胺及酰肼扩链剂，新一代扩链剂分子设计核心在于：（1）氨基脲扩链剂提供了更高密度的氢键位点，使得聚氨酯弹性体的力学性能得到显著提升（图2a-c）。（2）采用两种空间构型互补的扩链剂通过协同互锁形成几何限域效应，进一步增强了硬段区域的超分子相互作用，实现了氢键密度的最大化和结构有序化，进而在材料拉伸过程中通过更多氢键重排获得更强的拉伸硬化效应（图2d）。最终得到的PUU-HI聚氨酯弹性体展现出破纪录的综合力学性能：拉伸强度高达120.2 MPa，韧性达400.5 MJ/m3，特别是真实断裂应力达到1.3 GPa，超越了天然蜘蛛丝（图2e-h）。弹性体薄膜还具有很高的透明度，为高性能透明柔性器件提供了材料基础（图2i）。

图2. 氨基脲扩链剂构筑的系列PUU弹性体的力学性能表征

  研究团队采用多种实验表征手段，从原子到纳米的多尺度上揭示了材料优异性能的微观机制。傅里叶变换红外光谱分析表明，PUU-HI中氢键结合的羰基含量高达71.4%，远高于单一扩链剂体系，说明几何互补的混合扩链剂实现了空间上更紧密的分子堆积，从而促进了硬段间更密集的氢键形成。小角X射线散射结果显示，PUU-HI在q~0.75 nm^-1处呈现相对窄且明显的散射峰，对应的长周期尺寸约8.5 nm。这表明PUU-HI具有更高程度的相分离和更优异的局部有序性。值得注意的是，其相区尺寸与蜘蛛丝相分离尺寸（5~8 nm）相当，这也是其展现超高力学性能的关键微观结构因素。全原子分子动力学模拟同样证实了PUU-HI中氢键数量显著高于单一氨基脲扩链样品，且远高于不含氨基脲扩链剂的对照样品。

图 3. PUU-HI弹性体中高密度氢键和微相分离结构的实验表征与全原子分子动力学模拟

  采用基于异核（¹H-¹³C）偶极相互作用及¹³C化学位移屏蔽张量为多尺度核自旋探针的多维固体NMR技术，从原子和分子尺度上揭示了几何限域效应的微观机制。实验发现，HMDAA和IPDAA两种结构互补扩链剂的空间互锁使得高分子链运动受到显著抑制，大幅增强了硬段区域的分子间氢键相互作用和氢键有序排列（图4）。测定特定¹³C核周围电子云屏蔽效应的二维（2D）¹³C SUPER固体NMR实验表明，几何限域诱导硬段中处于多重氢键中心的羰基的化学位移各向异性参数η显著减小（图4e），反映出更有序、更紧密的氢键排列。2D ¹³C-¹H WISE宽线分离谱将相分离结构和不同组分的分子运动性相关联，实验发现：原本具有较高运动性的IPDAA链段在引入HMDAA后被空间互锁，导致C4相连质子的线宽从PUU-I中的35.6 kHz增加到PUU-HI中的50.6 kHz，直接证实了几何限域导致的链运动受限（图4i）；另外，PUU-HI的硬段中与氢键区域直接相连的C2上质子线宽（55.9 kHz）明显大于只含有单一氨基脲扩链剂的PUU-H或PUU-I样品的线宽（52.5和52.9 kHz）（图4h），表明分子间相互作用显著提升。这种高度有序且致密的可逆氢键硬域结构，不仅赋予PUU-HI卓越的静态力学性能，更为其在动态服役条件下的能量耗散和形变回复提供了独特的微观结构支撑。上述多维ssNMR实验为几何限域高密度有序氢键组装的微观机制提供了原子和分子水平的直接证据。

图4. 多维固体核磁共振揭示PUU-HI弹性体几何限域高密度氢键增强力学性质的微观机制

  PUU-HI弹性体不仅具有高强度和高韧性的优异性能，还具有出色的弹性回复能力、抗疲劳性与抗撕裂性。如图5所示，在100%应变循环拉伸测试中，材料在240分钟静置后恢复至初始状态的90.8%。在100%应变下经历1000次循环拉伸后，材料仍保持稳定的力学性能。带预制裂纹的样品在拉伸过程中裂纹发生显著钝化，裂纹扩展被有效抑制。得益于材料中的高密度有序氢键和小尺寸微相分离结构，裤形撕裂测试显示该弹性体的撕裂能高达392.1 kJ/m2——这是迄今为止弹性体材料中报道的最高记录值（图6）。

图5. PUU-HI弹性体的弹性恢复性

图6. PUU-HI弹性体的抗疲劳性和裂纹容忍性

  最后，为验证PUU-HI在实际服役条件下的长期可靠性，特别是抗磨损性能，研究团队将其用作摩擦纳米发电机（TENG）的正极摩擦层。在500次连续接触-分离的往复摩擦循环中，器件的开路电压和转移电荷几乎无衰减，表明材料的高耐磨性和界面稳定性可直接转化为器件的长期运行可靠性。这一结果为PUU-HI在自供电传感、可穿戴电子设备和能量收集与转化领域的应用奠定了基础。

图7. PUU-HI与PUU-HMD的摩擦系数对比，以及PUU-HI TENG在往复摩擦循环中稳定的开路电压和转移电荷

  结论：本研究受蜘蛛丝中链间高密度氢键组装协同多嵌段主链调控微相分离结构的启发，提出了利用氢键氨基脲类扩链剂结合分子几何限域机制来增强分子间超分子相互作用的新策略。通过两种扩链剂的空间几何互补性，成功构建了高度有序、高密度氢键交联的硬段相区结构并显著抑制微相分离尺寸，突破了聚氨酯弹性体的力学强度极限，打破了其强度与韧性不可兼得的传统桎梏，在单一分子设计中同时获得“强度-韧性-抗裂-耐磨”多维度性能的同步提升。该工作通过ssNMR等多尺度表征技术与理论模拟共同揭示的几何限域高密度氢键有序组装和抑制微相分离尺寸的微观物理化学机制，丰富和深化了对于多重非共价作用及其调控材料性能规律的认识。该成果不仅为设计高性能弹性体提供了全新思路，也为柔性电子、软体机器人、航空航天及生物医用材料等领域提供了理想的新材料平台。

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-77193-w

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