新材料黑科技：

玻璃態超分子聚合物網絡問世

前言：為何關注玻璃態SPNs？

超分子聚合物網絡（SPNs）因其動態交聯特性，一直是高分子領域的研究熱點。然而，這類材料在實現高壓縮強度與自恢復能力的同時，常因交聯點解離速率過快而導致性能局限。

英國劍橋大學Melville高分子合成實驗室的研究者們提出了一種延緩交聯點解離的材料設計新策略，他們通過調控交聯點的解離動力學（kd<1s-1），成功將SPNs從橡膠態推向玻璃態。與傳統橡膠態SPNs相比，玻璃態SPNs在室溫下展現出更高的模量與更優異的耐壓性能，填補了領域內的一大空白。

一

制備方法

玻璃態超分子聚合物網絡（SPNs）的制備通過精確的分子設計與控制完成。

首先，采用葫蘆[8]脲作為主客體作用的核心，設計全氟苯基（5FBVI）和功能化取代苯基（RBVI）交聯劑。即通過在水相介質中將丙烯酰胺（95 mol%）與2.5 mol%的非共價交聯劑（5FBVI-CB[8]-RBVI）混合，加入光引發劑I-2959，形成均勻溶液。然后，將溶液注入特制的玻璃模具，在氮氣保護下去除溶解氧，以避免聚合過程中自由基的猝滅。在紫外光（波長350 nm，光強4.8 mW/cm2）照射下，經過6小時的光聚合反應，生成具有高分子量且均勻的SPNs。將聚合物網絡小心移出模具后，用特定切割工具加工成實驗所需的形狀和尺寸，如圓柱體或啞鈴形試樣。

這種制備工藝不僅確保了SPNs的高質量和可重復性，還為后續力學表征與應用測試奠定了基礎。

a. RBVI二級客體分子結構。
b. NVI、ClBVI和BVI滴定至5FBVI-CB[8]的典型ITC曲線
c. NVI與5FBVI-CB[8]結合的kinITC曲線及擬合
d. log Keq 與 log P 的關系圖
e. log kd 與 log P 的關系圖
f. α-CD、β-CD雙元復合物與CB[8]-三元復合物log Keq 和 log kd 的比較

二

性能表征

動力學與熱力學分析

通過等溫滴定量熱法（ITC）測量發現RBVI的疏水性增強可顯著降低解離速率，并提高結合常數。實驗結果表明，材料的粘彈性及模量與交聯點的動力學特性呈顯著相關性。

動態機械性能

采用時間-動力學超疊加（TKS）分析，得出了SPNs在頻率-模量關系上的玻璃態特性。與傳統橡膠態SPNs相比，玻璃態SPNs展現出顯著提升的存儲模量（G′）和損耗模量（G′′）。

壓縮強度測試

單次壓縮實驗：SPNs在93%應變下表現出高達100 MPa的壓縮強度，且無斷裂現象。

多循環壓縮實驗：通過12次循環測試，材料實現快速自恢復（恢復時間小于120秒），應力-應變曲線幾乎完全重疊，體現其優異的耐久性。

實際應用展示

車輪壓縮測試：以1,200 kg的車輛進行反復碾壓，材料無任何斷裂或不可逆變形。

壓力傳感器性能：設計基于SPNs的穹頂狀結構傳感器，展現了2.5 MPa范圍內的高靈敏度與實時響應能力。

三

總結與展望

玻璃態超分子聚合物網絡的問世，不僅解決了現有SPNs在壓縮性能上的瓶頸，也為高性能軟材料的設計提供了理論和方法上的指導。憑借其動態可調的機械性能，這一材料有望在以下領域大放異彩：

軟體機器人：作為柔性驅動與支撐材料。

組織工程：應用于人工軟骨與肌肉替代。

柔性電子：在可穿戴設備與智能傳感領域具有重要潛力。

參考文獻：Huang, Zehuan, et al. "Highly compressible glass-like supramolecular polymer networks." Nature materials 21.1 (2022): 103-109.