在自然界中，蜘蛛丝以其卓越的强度、韧性和能量耗散能力而闻名，这得益于其独特的β-片层纳米晶结构和丰富的氢键网络。然而，在人工合成材料领域，尤其是在低模量的弹性体中，同时实现高强度、大形变驱动能力和宽频高效阻尼性能，一直是一个长期存在的挑战。

南开大学研究团队受蜘蛛丝启发，成功开发出一种半互穿网络液晶弹性体纤维，通过分子设计和连续化纺丝工艺，巧妙地化解了弹性体网络中力学强度、驱动能力与阻尼性能之间的固有矛盾。这种新型纤维不仅拥有媲美天然蜘蛛丝的力学行为，更展现出超宽温域和超宽频域的卓越阻尼性能，为高性能人工肌肉、智能减震器和软体机器人系统的设计开辟了新路径。相关研究成果发表于《Advanced Materials》上。

半互穿网络液晶弹性体纤维的仿生分子设计

该研究的核心创新在于构建了一种半互穿网络结构，其中包含提供力学骨架和驱动功能的交联液晶网络，以及分散于其中、扮演能量“耗散器”角色的线性液晶聚合物。研究团队通过创新性地设计线性聚合物的端基分子结构，成功在半互穿网络纤维中构建了四种不同的液晶相态，模拟了蜘蛛丝中可解离的β-片层纳米晶。这些液晶相态包括近晶A相、人字形近晶C相、向列相和阻碍向列相，它们通过不同的分子间作用力（尤其是氢键）和链段运动模式，为高效的机械能耗散提供了结构基础。

半互穿网络液晶弹性体纤维的力学、驱动性能和阻尼性能

半互穿网络液晶弹性体纤维的弹性模量高达47.6 MPa，韧性达到了60.4 MJ／m³，断裂应力为32.7 MPa。在驱动性能方面，该纤维可产生1.02 MPa的驱动应力和37.7%的驱动应变，最大功容量达到246.5 KJ／m³。同时，在循环加载-卸载测试中，能量耗散高达5.33 MJ／m³（加捻后可达5.61 MJ／m³），耗散系数达到88.6%。通过引入加捻和卷曲结构，纤维的弹簧状构型进一步将耗散能提升至5.61 MJ／m³，弹性模量提升至63.1 MPa。

半互穿网络-MAA液晶弹性体纤维的回复性能和循环稳定性

团队研究发现，随着静置恢复时间的延长，纤维的弹性模量和耗散能均可得到有效恢复，在3 h静置后基本达到稳定，这归因于氢键阵列的自我修复和链段的重排。即使在无静置时间的快速连续循环中，该纤维也能承受超过100次循环而不破裂，展示了其出色的耐久性。

研究团队通过变温相结构分析，首次在这种复杂的液晶弹性体体系中观察到一个完整且连续的相变过程：低温下的人字形近晶C相，在升温过程中依次转变为近晶相、向列相，最终在约112.3 ℃变为各向同性相。当从高温快速冷却至室温时，纤维会先进入一个亚稳态的近晶C相，并需要长达30天的弛豫才能完全恢复至热力学最稳定的人字形近晶C相。这一动力学与热力学共同主导的相变行为，为其在超宽温度范围内提供稳定阻尼性能奠定了科学基础。

半互穿网络-MAA液晶弹性体纤维的系统变温相变分析

得益于此，该半互穿网络纤维展示出了极其宽泛的有效阻尼温域和频域。动态热机械分析表明，以损耗因子大于0.2为标准，其有效阻尼温度范围覆盖了从1~150 ℃的广阔区间。时间-温度叠加分析进一步揭示，其有效阻尼频率范围可达1~30000 Hz，远优于传统液晶弹性体或单一网络对比样。这种在宽温域、宽频域下的优异能量耗散能力，使其在实际工况下具有巨大的应用潜力。

该研究通过模仿天然蜘蛛丝中可解离的β-片层纳米晶，克服了液晶弹性体在力学性能、驱动性能和阻尼性能之间长期存在的此消彼长的矛盾。该研究不仅提供了一种可连续化、规模化制备高性能纤维的策略，更通过揭示一种全新的连续相变行为，为设计下一代高性能减震器、人工肌肉和软体机器人提供了全新的材料平台和设计思路。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73958

（来源：高分子科学前沿）