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  高分子材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異特性，已成為航空航天、新能源汽車、智能建筑和新能源存儲(chǔ)等戰(zhàn)略新興領(lǐng)域的核心材料。人們對(duì)高分子材料性能的要求日益嚴(yán)苛，隨著這些應(yīng)用領(lǐng)域向深空、深海、超高溫/低溫等極端環(huán)境和動(dòng)態(tài)工況（如瞬時(shí)沖擊、循環(huán)載荷）拓展，傳統(tǒng)高分子材料面臨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與功能可靠性的雙重挑戰(zhàn)。特別值得注意的是，高分子產(chǎn)品的應(yīng)用長期受限于"強(qiáng)度-韌性倒置"這一材料科學(xué)經(jīng)典難題。現(xiàn)有傳統(tǒng)方法如化學(xué)交聯(lián)或填料復(fù)合等增強(qiáng)增韌策略往往以犧牲加工性能為代價(jià)，且通常在某些特定應(yīng)力應(yīng)變條件下有效，嚴(yán)重制約了高分子材料在眾多領(lǐng)域的功能應(yīng)用。

  隨著應(yīng)用場(chǎng)景的不斷深化與拓展，迫切需要對(duì)高分子體系的微觀動(dòng)態(tài)力學(xué)機(jī)理形成全新物理理解，進(jìn)而跨尺度揭秘其流變行為及對(duì)應(yīng)的黏彈特征，推動(dòng)高分子材料向高性能化、功能化且兼顧環(huán)境適應(yīng)性方向發(fā)展。受癌細(xì)胞侵略性惡性增殖，以及細(xì)胞有絲分裂過程中核內(nèi)環(huán)型小分子在維持染色質(zhì)生物大分子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所起作用的啟發(fā)，廈門大學(xué)物理系/軟物質(zhì)及仿生研究院曹學(xué)正教授課題組仿生設(shè)計(jì)并基于跨尺度流變理論模擬揭秘：剛性納米環(huán)（SNRs）與高分子鏈在微觀尺度上的動(dòng)態(tài)拓?fù)淅p結(jié)，可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高黏高分子超流體，在宏觀上表現(xiàn)出同步提升的強(qiáng)度與韌度。

  該研究工作以“Design of High-Performance Viscoelastic Polymer Nanocomposites Using Stiff Nanorings”為題發(fā)表在高分子TOP期刊《Macromolecules》上。文章第一作者為廈門大學(xué)物理系研究生郭綠洲，通訊作者為廈門大學(xué)物理系曹學(xué)正教授。合作作者包括廈門大學(xué)物理吳晨旭教授/化學(xué)系陳嘉嘉教授、德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所Holger Merlitz教授、清華大學(xué)化工系楊振忠教授和北卡羅萊納大學(xué)M. Gregory Forest教授等。

圖一：SNRs填充后的高強(qiáng)高黏高分子超流體具有很強(qiáng)的抗撕裂能力和優(yōu)異機(jī)械性能。SNRs填充增強(qiáng)增韌的微觀動(dòng)態(tài)力學(xué)機(jī)理以及所實(shí)現(xiàn)高彈超黏性能的跨尺度流變理論模擬揭示。

  近幾年，曹學(xué)正教授課題組發(fā)展了關(guān)于軟物質(zhì)與生物體系大分子平衡與非平衡弛豫的跨尺度標(biāo)度理論，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該類體系黏彈特征的動(dòng)態(tài)力學(xué)理論表征【Phys. Rev. E (Letter) 2022 & Phys. Rev. E 2021】，并在該標(biāo)度理論基礎(chǔ)上開發(fā)了高效精準(zhǔn)跨尺度流變統(tǒng)計(jì)算法軟件，覆蓋跨10⁸剪切頻域?qū)挾鹊膹?fù)雜流變場(chǎng)景【具有完全自主知識(shí)版權(quán)流變軟件2024&2025】。基于課題組所發(fā)展的流變理論方法與模擬計(jì)算軟件，本論文從流變學(xué)與軟凝聚態(tài)物理角度揭示了SNRs作為動(dòng)態(tài)應(yīng)力耗散單元的微觀動(dòng)態(tài)力學(xué)機(jī)理。通過系統(tǒng)的流變統(tǒng)計(jì)模擬與物理分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)SNRs的貫穿拓?fù)浼s束，會(huì)顯著縮短高分子鏈靜態(tài)與動(dòng)態(tài)纏結(jié)長度，對(duì)高分子鏈弛豫的抑制效果遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鏈間纏結(jié)，導(dǎo)致高分子熔體轉(zhuǎn)變?yōu)轭惸z超粘流體。撕裂模擬與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系證實(shí)，SNRs能通過鏈滑移耗散外作用能量，保護(hù)高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)免受破壞。定量的流變統(tǒng)計(jì)計(jì)算和物理分析揭示，高分子鏈貫穿SNRs的動(dòng)態(tài)滑移機(jī)制能將外應(yīng)力集中作用在納米環(huán)上，從而顯著減少高分子鏈斷裂。這種“拓?fù)湓鰪?qiáng)-動(dòng)態(tài)耗散”雙機(jī)制突破了傳統(tǒng)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的局限性，不僅克服了傳統(tǒng)材料的黏彈性能瓶頸，還賦予獨(dú)特的流體自修復(fù)特性，為理解復(fù)雜高分子體系的跨尺度流變行為提供了全新動(dòng)態(tài)力學(xué)機(jī)理框架，將在航空防護(hù)層、高性能輪胎、防彈高分子薄層和高安全新能源聚電解質(zhì)電池等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要前沿應(yīng)用潛力。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c01029