抗冲击材料兼具高的力学强度和优异的韧性，在汽车工业、航空航天、军工行业等领域具有十分广阔的应用前景。聚合物及其纳米复合材料是一种相对可行的解决方案，然而聚合物抗冲击材料一方面很难兼顾刚性和韧性，另一方面超高的分子量使得材料的加工成型变得十分困难。此外，该类材料在失效后难以回收利用，由此带来了严重的环境污染问题。在此背景下，开发易加工、可重复利用的变革性抗冲击材料具有重要的研究意义。
华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院，发光材料与器件国家重点实验室殷盼超课题组长期深耕聚合物纳米复合材料物理和高分子物理领域，提出了分子簇的物理插层行为可以为材料带来独特的粘弹性。该课题组进一步以异辛基型笼形倍半硅氧烷（OPOSS）衍生物为构筑基元，经由开环异位聚合法构建了一维“多足虫状”结构的杂化抗冲击材料（PolyPOSSs）（图1）。相比于传统的纳米复合材料，PolyPOSSs的结构更为明确，接枝密度更加可控。在此基础上，对这类杂化材料的构效关系进行了深入探讨，并定量阐明了力学性质与其多级结构之间的有效关联。
图1. PolyPOSSs的合成路线及其协同作用机制图
大位阻的OPOSS侧基有效地增强了高分子链的刚性，中子散射结果表明PolyPOSSs在溶液态条件下的优势构象为短的棒状结构。高度枝化的分子链不利于形成紧密且有序堆垛的凝聚态结构，以至于PolyPOSSs均为无序的玻璃态材料。低分子量的PolyPOSSs兼具高的力学强度和超强的可拉伸性能。拉伸过程中分子链容易发生取向，可以起到增强增韧的效果。由分子层面进行剖析，一维刚性的拓扑结构有利于OPOSS侧基的插层以及协同作用；与此同时，OPOSS快速的动力学松弛特性得以保留，为材料的较强的冲击能量耗散行为提供了来源（图2）。
图2. PolyPOSSs的结构表征、力学行为以及相应的插层模型图
更为特殊的是，PolyPOSSs展现出典型的非线性力学响应特征。在一般的加工条件下，材料能够很容易地加工成型；而在高速冲击的环境下，材料却表现出截然不同的力学性质。霍普金森压杆以及空气炮实验均可以证实PolyPOSSs材料优异的抗冲击性能，以厚度为6 mm、直径为30 mm的圆盘状试件为例，该试件可以抵挡住质量为12.2 g、速度为22 m/s的钢制子弹的高速冲击（视频1）。在更高的冲击速率条件下（50 m/s），材料的能量耗散效率高达4.91 J/g 和 3.01 J/cm2，可与文献报道的多种高分子量的聚合物及其复合材料相媲美。分子动力学模拟表明OPOSS可以通过互相碰撞来实现能量传递，从而可以将能量迅速分散。而这些由外界输入的能量又可以通过OPOSS之间的摩擦，最终以热能的形式被有效耗散（图3）。材料在拉伸、冲击实验后，可以十分便捷地进行回收，且其力学性能与初始试件相差无几。传统聚合物抗冲击材料的可回收性较差，症结在于这些体系中的聚合物处于高度受限的状态，分子链的驰豫受到抑制。与之相对地，OPOSS即便在插层结构中依然具备较快的松弛速率，有利于插层结构的重新形成，进而赋予了材料优异的可回收性和可再加工性。
视频1. PolyPOSSs材料的冲击实验（冲击速度为22 m/s）
图3. 冲击实验以及分子动力学模拟结果图
复合材料体系的力学性质与其松弛动力学行为密切相关，为此，作者利用了分子动力学模拟和流变学手段来揭示PolyPOSSs体系抗冲击性能的构效关系。PolyPOSSs遵循多层级的松弛动力学规律，具有不同时间和空间尺度的结构组分依次松弛，直至高分子链可以实现整体的质心扩散（图4）。该项研究工作中，作者以OPOSS的物理插层现象为切入点，通过拓扑工程的手段放大了OPOSS之间的协同强化效应，进而实现了力学性质的有效提升，并且兼顾了材料的可加工性和和可回收性。协同作用机制拓展了分子簇以及纳米粒子之间相互作用的范畴，为功能化团簇材料的设计和制备提供了一种变革性的策略。
图4. PolyPOSSs的多级松弛动力学行为
这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，本文的第一作者为华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院和发光材料与器件国家重点实验室博士生尹家福。殷盼超教授和杨俊升博士为论文的共同通讯作者。
Polymer Topology Reinforced Synergistic Interactions among Nanoscale Molecular Clusters for Impact Resistance with Facile Processability and Recoverability
Jia-Fu Yin, Haiyan Xiao, Peidong Xu, Junsheng Yang,* Zhiwei Fan, Yubin Ke, Xikai Ouyang, GengXin Liu, Tao Lin Sun, Liqun Tang, Stephen Z. D. Cheng, and Panchao Yin*
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202108196
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202108196
