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【科普中國】科學(xué)家從蜻蜓身上找到“又強又彈”的材料密碼
出品：科普中國
作者：白常成，劉德勝，王曉龍（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）
監制：中國科普博覽
想象一下：如果沒(méi)有“又強又彈”的材料，我們每天的出行和生活會(huì )變得多么麻煩？輪胎，是支撐汽車(chē)高速行駛的“鞋子”，既要在炙熱的公路上承受高速摩擦，又要在坑洼路面承受瞬間沖擊；減震器，是車(chē)輛與道路之間的“緩沖墊”，既要穩住車(chē)身，又要讓顛簸感最小化。這些都離不開(kāi)一種理想材料：既要夠強，承受住壓力，不易形變，又要夠彈，受到擠壓后能迅速恢復原狀。在目前的工程應用中，高彈性聚氨酯就是這樣一種不可替代的關(guān)鍵材料。
然而，高強度與高回彈性的兼容始終面臨挑戰。對材料科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這像是一道讓人頭疼的“不可能三角”：若要增強強度，材料容易變脆；若要提升彈性，材料容易變軟；若想兩者兼顧，熵罰（Entropy Penalty，指是當單體分子從無(wú)序的自由狀態(tài)轉變?yōu)橛行虻木酆衔镦湢顟B(tài)時(shí)，系統中熵的減少量。）效應讓設計變得更難。就像用一根彈簧去舉重——你可以做得很硬，但它會(huì )失去回彈；你可以做得很彈，又難以承重。傳統聚氨酯就是如此，想把它變強，就要在分子里加“硬核支撐”，可這樣分子鏈的活動(dòng)自由度被限制，回彈性就被犧牲了。
面對長(cháng)久以來(lái)的痛點(diǎn)，近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗室3D打印摩擦器件組從蜻蜓翅膀中獲得靈感，提出了一種解決上述問(wèn)題的策略。
自然界的完美答案：蜻蜓的翅膀為何能高頻振動(dòng)？
實(shí)際上，對于這個(gè)困擾我們的“不可能三角”，自然界早就把這道難題解出來(lái)了！
你或許沒(méi)注意過(guò)，蜻蜓是飛行界的“超級跑車(chē)”——它們翅膀振動(dòng)的頻率可以高達每秒數百次，一旦振翅，它幾乎可以懸停、俯沖、急轉彎，靈活得像一架無(wú)人機。它是怎么做到的？秘訣就在于它翅膀里隱藏的一種神奇材料：節肢彈性蛋白（Resilin）。這是一種近乎完美的天然彈性材料，彈性接近100%，可以反復形變幾百萬(wàn)次都不會(huì )疲勞斷裂，簡(jiǎn)直是“自然界的超級橡膠”。
這種彈性蛋白內部藏著(zhù)一個(gè)“小秘密”——它包含大量?jì)仍跓o(wú)序區（IDRs），也就是指沒(méi)有固定結構的“柔性區域”。這些區域就像“分子級魔術(shù)貼”，可以通過(guò)多點(diǎn)的弱相互作用（如氫鍵、π-π堆積、靜電和疏水作用）靈活地粘合或分開(kāi)。在特定的環(huán)境條件下（如pH、鹽濃度、溫度等），這些分子之間會(huì )像油滴在水中那樣發(fā)生液-液相分離，形成一個(gè)個(gè)可逆的富集小液滴。這種結構不像傳統材料那樣依賴(lài)死板的永久交聯(lián)，而是構建了一個(gè)多尺度、可調節的能量耗散與恢復網(wǎng)絡(luò )，這正是它兼具強度與彈性的關(guān)鍵。
這種組合，讓蜻蜓即便是雨天飛行，翅膀經(jīng)受風(fēng)雨拍打、彎曲、形變，都能毫發(fā)無(wú)損地恢復原狀。這就是自然界最優(yōu)雅、精妙的設計！
蜻蜓翅膀肌腱中彈性蛋白的熒光顯微鏡拍攝
（圖片來(lái)源：Nature 2005,437,999.）
新材料誕生：科學(xué)家如何將靈感轉為實(shí)踐？
受到自然界中“蜻蜓翅膀”的啟發(fā)，團隊開(kāi)始思考：能不能把這個(gè)“秘訣”復制到人工材料里？
團隊從分子層面動(dòng)手：先在聚氨酯分子里引入動(dòng)態(tài)氫鍵和配位鍵，像在分子內部埋了“魔術(shù)拉鏈”，它們既能牢牢固定硬域的形狀，又能在拉伸時(shí)自動(dòng)解鎖。當材料受到外力拉伸時(shí)，硬域先分解，釋放了分子鏈的“自由度”，熵增加（形變容易）；與此同時(shí)，柔軟的鏈段會(huì )有序結晶，吸收能量，焓降低（彈性增強）；這種能量的“此消彼長(cháng)”讓材料變得又強又彈，一舉打破了“熵罰”難題。
在實(shí)驗室測試中，這種“低熵罰聚氨酯”展現了驚人的性能：拉伸強度超過(guò)80MPa（兆帕），比許多常見(jiàn)工程塑料還要強；回彈率超過(guò)88%，彈性幾乎媲美天然節肢彈性蛋白（Resilin）；耐用性更高，重復拉伸、回彈依然性能穩定?？此破胀ǖ木郯滨椥泽w，背后其實(shí)藏著(zhù)蜻蜓翅膀的秘密武器。
受蜻蜓角質(zhì)層中彈性蛋白啟發(fā)的可調聚氨酯彈性體設計制備示意圖
（圖片來(lái)源：參考文獻[1]）
未來(lái)應用：從輪胎到航天，哪些領(lǐng)域將受益？
那么，這塊“又強又彈”的新材料，將給我們的生活帶來(lái)哪些改變？
**智能減震器：**它可以構建出更靈敏、更耐久、更適應復雜環(huán)境的減震系統。比如在坑洼不平的路面上，它能夠迅速吸收沖擊能量并迅速恢復形變，大幅提升減震響應速度；在長(cháng)期使用中，它又具備極高的疲勞耐受性，不易老化或失效。這種智能減震器都能帶來(lái)更高的安全性。
**高性能密封件：**在航天器、深海潛水器等極端環(huán)境中，密封圈必須耐寒、耐高溫、耐腐蝕，還得反復壓縮不失效——這種材料正好派上用場(chǎng)，讓飛船飛得更遠、潛艇潛得更深。
**柔性機器人與可穿戴設備：**想象一下，這種柔軟如皮膚卻堅韌如裝甲的新型材料，將成為構建機器人關(guān)節、輕便卻超級耐用的智能手環(huán)以及柔性傳感器的理想選擇，為這些設備提供“智能防護外殼”。
結語(yǔ)：仿生材料的未來(lái)
從蜻蜓翅膀到高性能聚氨酯，團隊再次證明了一個(gè)道理：自然界就是最偉大的材料科學(xué)家。當人類(lèi)學(xué)會(huì )站在微觀(guān)世界，模仿自然的智慧，“不可能三角”也許就會(huì )被逐一破解。
未來(lái)，或許還有更多“仿生材料”會(huì )改變我們的生活：自愈合的涂層、超強韌的仿蛛絲纖維……下一次，當你看到一只蜻蜓劃過(guò)水面，不妨想一想，它的翅膀，或許就是未來(lái)一款超級材料的靈感來(lái)源。
參考文獻
[1] Changcheng Bai et al. “Low‐Entropy‐Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin‐Inspired Microphase Separation.” Advanced Functional Materials (2025):e10053.
