摘要：轮胎，是支撑汽车高速行驶的“鞋子”，既要在炙热的公路上承受高速摩擦，又要在坑洼路面承受瞬间冲击；减震器，是车辆与道路之间的“缓冲垫”，既要稳住车身，又要让颠簸感最小化。

想象一下：如果没有“又强又弹”的材料，我们每天的出行和生活会变得多么麻烦？

轮胎，是支撑汽车高速行驶的“鞋子”，既要在炙热的公路上承受高速摩擦，又要在坑洼路面承受瞬间冲击；减震器，是车辆与道路之间的“缓冲垫”，既要稳住车身，又要让颠簸感最小化。

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这些都离不开一种理想材料：既要够强，承受住压力，不易形变，又要够弹，受到挤压后能迅速恢复原状。在目前的工程应用中，高弹性聚氨酯就是这样一种不可替代的关键材料。

然而，高强度与高回弹性的兼容始终面临挑战。对材料科学家来说，这像是一道让人头疼的“不可能三角”：若要增强强度，材料容易变脆；若要提升弹性，材料容易变软；若想两者兼顾，熵罚（Entropy Penalty，指是当单体分子从无序的自由状态转变为有序的聚合物链状态时，系统中熵的减少量。）效应让设计变得更难。就像用一根弹簧去举重——你可以做得很硬，但它会失去回弹；你可以做得很弹，又难以承重。传统聚氨酯就是如此，想把它变强，就要在分子里加“硬核支撑”，可这样分子链的活动自由度被限制，回弹性就被牺牲了。

面对长久以来的痛点，近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室 3D 打印摩擦器件组从蜻蜓翅膀中获得灵感，提出了一种解决上述问题的策略。

自然界的完美答案：

蜻蜓的翅膀为何能高频振动？

实际上，对于这个困扰我们的“不可能三角”，自然界早就把这道难题解出来了！

你或许没注意过，蜻蜓是飞行界的“超级跑车”——它们翅膀振动的频率可以高达每秒数百次，一旦振翅，它几乎可以悬停、俯冲、急转弯，灵活得像一架无人机。它是怎么做到的？秘诀就在于它翅膀里隐藏的一种神奇材料：节肢弹性蛋白（Resilin）。这是一种近乎完美的天然弹性材料，弹性接近 100%，可以反复形变几百万次都不会疲劳断裂，简直是“自然界的超级橡胶”。

这种弹性蛋白内部藏着一个“小秘密”——它包含大量内在无序区（IDRs），也就是指没有固定结构的“柔性区域”。这些区域就像“分子级魔术贴”，可以通过多点的弱相互作用（如氢键、π-π 堆积、静电和疏水作用）灵活地粘合或分开。在特定的环境条件下（如 pH、盐浓度、温度等），这些分子之间会像油滴在水中那样发生液-液相分离，形成一个个可逆的富集小液滴。这种结构不像传统材料那样依赖死板的永久交联，而是构建了一个多尺度、可调节的能量耗散与恢复网络，这正是它兼具强度与弹性的关键。

这种组合，让蜻蜓即便是雨天飞行，翅膀经受风雨拍打、弯曲、形变，都能毫发无损地恢复原状。这就是自然界最优雅、精妙的设计！

蜻蜓翅膀肌腱中弹性蛋白的荧光显微镜拍摄（图片来源：Nature2005, 437, 999.）

新材料诞生：

科学家如何将灵感转为实践？

受到自然界中“蜻蜓翅膀”的启发，团队开始思考：能不能把这个“秘诀”复制到人工材料里？

团队从分子层面动手：先在聚氨酯分子里引入动态氢键和配位键，像在分子内部埋了“魔术拉链”，它们既能牢牢固定硬域的形状，又能在拉伸时自动解锁。当材料受到外力拉伸时，硬域先分解，释放了分子链的“自由度”，熵增加（形变容易）；与此同时，柔软的链段会有序结晶，吸收能量，焓降低（弹性增强）；这种能量的“此消彼长”让材料变得又强又弹，一举打破了“熵罚”难题。

在实验室测试中，这种“低熵罚聚氨酯”展现了惊人的性能：拉伸强度超过 80MPa（兆帕），比许多常见工程塑料还要强；回弹率超过 88%，弹性几乎媲美天然节肢弹性蛋白（Resilin）；耐用性更高，重复拉伸、回弹依然性能稳定。看似普通的聚氨酯弹性体，背后其实藏着蜻蜓翅膀的秘密武器。

受蜻蜓角质层中弹性蛋白启发的可调聚氨酯弹性体设计制备示意图（图片来源：参考文献[1]）

未来应用：

从轮胎到航天，哪些领域将受益？

那么，这块“又强又弹”的新材料，将给我们的生活带来哪些改变？

1.智能减震器

它可以构建出更灵敏、更耐久、更适应复杂环境的减震系统。比如在坑洼不平的路面上，它能够迅速吸收冲击能量并迅速恢复形变，大幅提升减震响应速度；在长期使用中，它又具备极高的疲劳耐受性，不易老化或失效。这种智能减震器都能带来更高的安全性。

2.高性能密封件

在航天器、深海潜水器等极端环境中，密封圈必须耐寒、耐高温、耐腐蚀，还得反复压缩不失效——这种材料正好派上用场，让飞船飞得更远、潜艇潜得更深。

3.柔性机器人与可穿戴设备

想象一下，这种柔软如皮肤却坚韧如装甲的新型材料，将成为构建机器人关节、轻便却超级耐用的智能手环以及柔性传感器的理想选择，为这些设备提供“智能防护外壳”。

结语：

从蜻蜓翅膀到高性能聚氨酯，团队再次证明了一个道理：自然界就是最伟大的材料科学家。当人类学会站在微观世界，模仿自然的智慧，“不可能三角”也许就会被逐一破解。

未来，或许还有更多“仿生材料”会改变我们的生活：自愈合的涂层、超强韧的仿蛛丝纤维……下一次，当你看到一只蜻蜓划过水面，不妨想一想，它的翅膀，或许就是未来一款超级材料的灵感来源。

参考文献

[1] Changcheng Bai et al. “Low‐Entropy‐Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin‐Inspired Microphase Separation.” Advanced Functional Materials (2025): e10053.

来源：敦煌发布