自然界中的天然材料通过精妙的多尺度结构与丰富的动态相互作用实现有效冲击耗散与安全防护,为高性能仿生阻尼材料的开发提供了设计灵感。然而,材料的驱动做功性能与力学阻尼性能通常是互斥的。
针对上述挑战,中国药科大学周湘副教授、南开大学刘遵峰教授、赵维强副教授、东华大学朱美芳院士团队,发展了类蜘蛛丝β-折叠晶区的能量耗散机制,开发出基于半互穿网络的高阻尼多晶相液晶弹性体纤维。实现了高达47.6 MPa的弹性模量、358%的断裂伸长率、60.4 MJ m-3的韧性、32.7 MPa的断裂应力、5.33 MJ m-3的耗散能(扭曲后可达5.61 MJ m-3)、88.6%的耗散系数及1.02 MPa的平均驱动应力,综合性能远超现有的液晶弹性体纤维。

其中交联液晶基体维持介晶有序度,提供力学稳定性与热驱动能力;穿插的线性则通过动态氢键解离与链间滑移,增强体系的动态响应与能量耗散。然后,利用自主搭建的双螺杆挤出机熔融纺丝平台将半互穿网络液晶预聚物一步纺丝成型,最终所得的半互穿网络液晶弹性体纤维直径均匀、表面光滑,复刻了天然蜘蛛丝内“刚性纳米晶分散于柔性无定形基体”结构特征。与文献报道的其他同类阻尼材料相比,该纤维在弹性模量和有效阻尼温域两方面展现出显著优势,耗散效率和耗散能的综合表现优异。
该工作有望推动液晶弹性体在人工肌肉、软机器人、智能减震与防护系统等领域的应用发展。
近年来,周湘副教授在人造蛛丝与人工肌肉纤维领域开展了系列工作,以通讯/第一作者在Nat. Sustain. (1), Adv. Mater. (7), Nat. Commun. (2), Adv. Funct. Mater. (5), Natl. Sci. Rev. (1), Adv. Fiber. Mater. (2), Acc. Chem. Res. (2), Chem. Soc. Rev. (1)等综合性SCI期刊发表论文50余篇;主持国家自然科学基金、先进技术类项目子课题等多项课题,获得天津市自然科学一等奖(2/6,2024)及中国纺织工业联合会自然科学二等奖(1/6,2025),在国内外学术会议做邀请报告20余次。
该成果于7月9日以“Spider Silk-Inspired High-Damping Liquid Crystal Elastomer Fibers Enabled by Semi-Interpenetrating Networks”为题发表于Advanced Materials。南开大学硕士研究生刘晓为论文第一作者,理学院周湘副教授、南开大学赵维强副教授、刘遵峰教授为论文共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金等多项基金资助。
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.8271527文章链接:http://doi.org/10.1002/adma.73958
