研究背景

自然用有限构建块和层级结构，创造出从柔软角膜、强韧骨骼到海参模量切换、肌肉致动等多样性能，并在闭环系统中高效复用资源。细胞多稳态更说明，同一组基因可分化出数千种状态并动态适应环境。受此启发，多态材料有望减少能耗与废物，为生物医学、智能织物、微机电系统和机器人提供自适应能力。但现有机械超材料虽能实现多态，仍难以用单一材料在室温稳定运行；双结晶嵌段共聚物虽具潜力，其状态与转变也尚未被统一参数空间系统组织。

针对这一难题，华南理工大学前沿软物质学院、先进造纸与纸基材料全国重点实验室郎超教授课题组报道了一种可回收多态材料系统，具有定量定义的状态和电路样转变路径，通过自组装纳米结构中的双相结晶控制，提供一系列可切换性能（图1）。在高结晶度和取向状态下，材料韧性达441 MJ m⁻³，高于蜘蛛丝，真强度738 MPa，可举起自身重量一百万倍；微调刚性状态可获得高达94%的冲击力阻尼，优于UHMWPE 和Kevlar；刚性态还可在数秒内可逆切换为软态，模量从0.88 GPa降至0.1 MPa，并可用于自适应织物、生物医学设备和微马达。

图文解读

研究以双结晶三嵌段共聚物为模型，构建了多态材料电路（图1）。该材料由微相分离的半结晶 A、B嵌段域通过物理交联连接（图1），并用结晶度与Hermans取向因子构成的2×2矩阵定量描述状态（图1），将A或B域分为无定形、非取向结晶、中等取向结晶和高度取向结晶，组合出八种关键状态、31条转变路径（图2）。其中 NC'Am模量最低，是连接六种状态的转变枢纽（图2）；水下冷冻、冷应变、加热、脱水等温和刺激可分别改变结晶度与取向，实现连续或离散转变，且无需化学改性或添加剂（图2）。

图1：MMC系统由微相分离的半结晶A和B嵌段域构建，这些域通过物理交联连接。一个2×2矩阵由A嵌段和B嵌段的结晶度（χc,A和χc,B）以及Hermans取向因子（fA和fB）组成，用于定量描述状态。

图2：电路样图映射了系统的关键状态、触发方法和转变路径。使用同一聚合物C400O1818C400，在不同状态下实现了广泛的机械性能（图S1和表S1）。基于材料性能和转变行为，列出了八种关键状态，包括三种水凝胶状态（NCAm、NC’Am和MCAm，蓝色）和五种干态（NCNC、NCHC、MCMC、MCHC和HCHC，红色）（更多细节见表S2）。双箭头线和单箭头线分别表示通过标注触发器实现的可逆和不可逆转变。虚线表示涉及一系列中间态的连续转变。除AmAm用于重置系统外，所有状态均可在室温下稳定使用。对于每个关键状态，所示机械性能代表其某一微状态。数值由工程应力-应变曲线确定，并报告为三次独立测量的平均值。

在机械性能上，该系统展现出从柔软弹性到强韧的广泛范围（图3）。物理交联的无序球形胶束形成微相分离结构（图3c）；拉伸曲线显示机械强度按NC'Am、NCAm、MCAm顺序增加（图3d），应变后A嵌段域在NCAm中取向并提高结晶度（图3e）。MMC模量跨越多个数量级（图3f），并可在低模量NCAm和高模量NCNC间切换超过100个循环而无性能衰减（图3g）。通过微调MCMC与HCHC之间的微态，性能进一步提升：HCHC工程强度达388 MPa、韧性达440 MJ m⁻³（图3h）；0.3 mg纤维可承受300 g重量，即自身重量一百万倍（图3i），并在直接拉伸中使等长等重的不锈钢断裂（图3j）。NCNC的真强度更达738 MPa，断裂伸长λ=16，超过PCL均聚物和许多已报道的颈缩、应变硬化聚合物（图4c）。

图3：MMC系统显示出广泛的机械性能。a、纤维形式的NC'Am。b、不同浓度（5 wt%、10 wt%、15 wt%和17 wt%）的C400O1818C400制备的不同微区尺寸 NC'Am的实验和模型SAXS数据。c、物理交联无序球形胶束的TEM图像。类似结果在三次独立实验中获得。d、拉伸应力-应变曲线显示机械强度按NC'Am、NCAm和MCAm的顺序增加。e、应变后，A嵌段域在NCAm中取向并具有更高结晶度，但在NC'Am中没有。f、MMC模量跨越多个数量级。g、系统可在低模量（NCAm）和高模量（NCNC）状态之间切换超过100个循环而无性能衰减。圆圈和三角形显示平均值，误差棒表示标准差（s.d.）（n=3 次独立测量）。h、通过微调MCMC和HCHC之间的微态调节机械性能。i 、HCHC可承受自身重量的一百万倍（0.3 mg纤维承受300 g重量）。j、在直接拉伸测试中，HCHC使不锈钢断裂。HCHC和不锈钢纤维长度均为10 cm，重量均为0.3 mg。

在抗冲击方面，可调颈缩和应变硬化行为带来高效阻尼（图4）。NCNC、NCHC和MCHC在拉伸中表现出应力恒定的可调颈缩平台，随后强烈应变硬化（图4b）；通过脱水加应变可获得稳定连续微态，颈缩应变可达5.5（图4a、图4b）。POM和SEM显示，颈缩形成高度取向的原纤状结构，提供高强度和韧性（图4e）。NCHC可将冲击力降低94%，并吸收三倍于 HCHC的冲击能量（图4f）；HCHC抗冲击性能超过UHMWPE和Kevlar（图4f、图4g）；不同状态的阻尼比随颈缩应变缩放，便于设计宽强度谱缓冲材料（图4g）。冷应变还可将具有和不具有颈缩行为的区域集成到同一根纤维中（图4b）。

图4：用于高效冲击阻尼的可调颈缩和应变硬化行为。a 、NCHC与MCHC之间的微调状态。b、微调NCHC状态的应力-应变曲线显示可调颈缩和应变硬化行为。应变率为1 min⁻¹。左插图：通过将触发8（冷应变）施加到 NCNC样品的一部分而制备的同时包含NCNC和HCHC区域的单根纤维；应变区域转变为HCHC，其余部分保持NCNC。右插图：NCHC的颈缩传播。c、本工作与其他颈缩和应变硬化聚合物的比较。d、25 g落重下MCHC的冲击力阻尼。e、部分颈缩NCNC样品的POM和SEM图像。颈缩部分由于原纤化显示高度取向结构。类似结果在三次独立实验中获得。f、与HDPE相比，NCHC冲击力降低94%。g、不同颈缩应变下HCHC和NCHC的冲击力阻尼效率。三角形显示平均值，误差棒表示标准差（s.d.）（n=3次独立测量）。

在致动应用方面，HCHC在约60°C开始致动（图5a）；加热时转变前后均保持高模量，便于开-关控制，水合则溶胀B嵌段基质形成软水凝胶，允许连续致动（图5）。通过状态微调，致动行程可达80%，应力18.7 MPa，能量密度 300 J/kg，均超过自然骨骼肌（图5b-d）。该系统可用于自闭合缝合线、减张胶带和生物医学织物，接触血液时自动闭合伤口（图5e）；与商品纺织品共织后，可在汗液触发下打开通风通道散热（图5f）；扭转纱线还可作为旋转马达，驱动模型船，转速达500 rpm（图5g），恢复率达90%。

图5：致动应用于自闭合缝合线、智能织物和旋转马达。a、HCHC在不同温度下的POM图像表明致动约在 60°C开始。b-d、通过材料状态的参数控制可调致动行程、速度和应力。通过将纤维垂直悬挂在两个热板之间施加热。e、自闭合缝合线、减张胶带和生物医学织物在接触血液时可自动闭合伤口。f、嵌入智能服装中的 HCHC在汗液触发时切换到MCM，从而加速气流和散热。g、上：以1000、2000和3000圈/米编程的旋转马达的光学显微镜图像。类似结果在三次独立实验中获得。下：该马达表现出快速且可调的转速，可用于驱动模型船。

研究总结

该多态材料电路框架将物理交联与自组装微域的结晶度和取向调控结合，实现按需控制和可逆切换。连续转变带来可调变形与优异阻尼，离散转变实现类似海参的快速模量切换；可编程致动器的行程、应力和能量密度超过自然骨骼肌。由于采用单一组成且无共价交联，系统易于回收，体现了功能多样性与材料经济性的结合，为高效、可持续的材料生产与使用循环提供了新思路。

论文信息

相关研究成果以“Block copolymer multistate material circuit”为题发表于《Nature Communications》。论文第一作者为华南理工大学博士研究生魏宏鑫，通讯作者为华南理工大学郎超教授。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-78278-2?sessi>

通讯作者简介

郎超，华南理工大学前沿软物质学院教授、博士生导师，先进造纸与纸基材料全国重点实验室科研骨干，入选国家“海外高层次人才引进计划”青年项目。在基础研究方面，关注嵌段共聚物非平衡态自组装和多尺度相分离等内容，探究软物质结构和性能的构效关系。在应用技术方面，聚焦人工离子通道、高强高韧、人工肌肉等高分子仿生材料的开发。在Nat. Nanotechnol.、Nat. Mater.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等国际权威期刊发表学术论文30余篇。2020年获美国化学会高分子科学与工程未来教职奖(ACS PMSE Future Faculty Scholar)。