浙江大学黄飞鹤/李光锋团队Nature Materials：宏观编织启发的不对称缠结 策略用于多组分聚合物网络构筑

合成高分子凭借其结构和功能的多样性，已在现代社会的各类应用场景中发挥关键作用。然而，单一聚合物材料往往难以同时兼具多种性能，难以满足复杂场景的应用需求。因此，如何将不同性能特征的聚合物有机整合，实现“1+1>2”的协同增益，一直是高分子领域的重要研究目标。尽管传统的物理共混或化学共聚策略在一定程度上促进了多种聚合物的整合，但由于相容性及界面协同不足等问题，难以在分子尺度实现性能的高效互补，这也促使研究者探索更具创新性和结构控制力的融合方式。

近日，浙江大学黄飞鹤/李光锋团队报道了一种受宏观编织启发的不对称缠结策略，构筑出兼具超高强度、高韧性和优异粘附性能的多组分聚合物网络。具体来说，受宏观编织材料中不同经纬线交错的结构和性能特征启发，通过分步聚合策略，使聚氨酯与环氧树脂两类线性聚合物链在不对称缠结节点的引导下高效整合，从而充分发挥两种材料的协同增益，实现优势互补与结构协同。相关研究成果以题为“Weaving-inspired asymmetric entangled nodes in multi-component polymer networks”的论文发表在《Nature Materials》上，黄飞鹤教授和李光锋研究员为本文通讯作者，何泽坚博士、陈丽雅博士和上海交通大学尤伟研究员为本文共同第一作者。本项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和浙江省“尖兵”研发攻关计划等的支持。

古老的编织技术通过大量缠结节点将简单的线性材料交织在一起，不仅能构建复杂的拓扑结构并赋予其卓越的机械性能，还能够将不同类型的材料高效整合，实现多材料间的高度协同。在此启发下，作者利用不对称交叉配位构筑编织节点，通过分步聚合诱导聚氨酯和环氧树脂链缠结形成网络结构。得益于网络中编织节点的动态协同作用，两类聚合物链段得以高效整合，从而获得了机械性能优异的聚合物材料WPU-EP。

图1聚合物网络WPU-EP的设计与构筑

作者通过模型配体的晶体结构验证了不对称缠结点的可行性，表明在钯(II)存在下可实现不对称交叉配位。WPU-EP样品在DMF中浸泡24小时后仍保持结构稳定，表明链段缠结形成了稳定的聚合物网络。DSC曲线表明WPU-EP的玻璃化转变温度为-70.1°C，高于SPU-EP的-78.2°C，说明拓扑缠结增强了PU与EP的相容性。溶胀实验进一步证明WPU-EP具有更高的网络稳定性，体现了拓扑缠结对结构完整性的贡献。为了验证这种拓扑缠结的独特优势，作者还将其与传统共价交联的CPU-EP和超分子作用交联的SPU-EP一起进行机械性能的测试。WPU-EP展现出了优异的综合力学性能：其断裂伸长率高达3105%，最大应力达到了63.3 MPa，韧性值更是达到了989 MJ/m3，远超对比样品。循环拉伸与应力松弛实验表明，WPU-EP在高温下能保持更好的结构稳定性，且具有更优的恢复性与抗疲劳性能。动态力学分析与大振幅振荡剪切实验进一步揭示，WPU-EP中的拓扑缠结使链段在应力下可发生滑移与重排，从而有效耗散能量并维持网络完整性。去金属化实验证明，即使去除配位金属离子，WPU-EP仍能保持较高的拉伸性能，证明不对称缠结节点诱导的链缠结对网络稳定性具有关键作用。与使用市售PU增韧剂的对照粘合剂相比，WPU-EP粘合剂的剪切强度达到15.1 MPa，远高于对照组的6.82 MPa，且具有更好的韧性。在实际牵引实验中，WPU-EP粘合剂在仅2.5 cm × 1.3 cm的粘合面积上成功牵引重达2.1吨的车辆快速行驶且保持稳定，未出现脱粘现象。

该研究通过受编织结构启发的不对称缠结点诱导聚合物链缠结，实现了聚氨酯与环氧树脂在分子层面的高效集成。柔性聚氨酯链段与刚性环氧树脂链段在缠结点的介导下协同作用，构筑出兼具优异力学性能和粘附性能的聚合物网络。更为重要的是，本工作将编织启发的聚合物网络从单组分体系拓展至多组分体系，为利用分子编织拓扑实现不同类型或功能聚合物材料的高效集成、从而实现多组分体系的多功能协同提供了新的思路。作者认为，基于不对称编织的聚氨酯-环氧树脂集成仅仅是一个起点，未来将进一步探索更多聚合物组合，以充分释放分子编织在高分子材料设计中的巨大潜能。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02400-w

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