高性能材料長期面臨“魚與熊掌不可兼得”的困境。傳統上，要讓一種材料同時具備高強度、高韌性、自愈合以及阻燃特性，幾乎是不可能的任務，因為這些性能背后的微觀機制常常相互沖突。例如，為了達到令人滿意的阻燃效果，通常需要添加大量阻燃劑，但這往往會破壞材料內部的微觀相分離結構，從而嚴重損害其力學性能。同樣，增強分子鏈間的相互作用雖然能提升材料強度，卻會限制分子鏈的運動，導致自愈合能力大打折扣。這種長久以來存在于知識體系中的空白，使得科學家們一直未能設計出集上述所有優異性能于一身的聚氨酯彈性體材料（圖1b）。

針對這一重大挑戰，中國林業科學研究院林產化學工業研究所張猛研究員、南昆士蘭大學宋平安教授、悉尼大學程文龍教授合作，成功開發出一種前所未有的聚氨酯彈性體。這種新材料不僅擁有高達46兆帕的拉伸強度和約2500%的極限斷裂伸長率，還具備令人驚嘆的自愈合能力（愈合效率達95%以上）和優異的自熄性阻燃性能（極限氧指數高達38.6%）。通過與三種對照材料（PU-MDM、PU-BHAPE和PU-DBP）的系統對比（圖1d），研究團隊清晰地揭示了各組分的關鍵作用。這一突破性成果以“Designing Strong, Tough, Fire-Retardant and Self-Healing Elastomers with Phosphorus/Nitrogen- and Biphenyl-Containing Segments”為題，發表在國際頂級期刊《先進材料》上。

研究團隊的核心策略是設計了一種名為DHDP的雙功能分子，作為聚氨酯彈性體的硬段。通過分子動力學模擬，研究人員證實該分子中引入的聯苯基團能夠形成強烈的分子間“π-π堆積”相互作用（圖1e），這種動態的非共價鍵如同在材料內部構建了可逆的物理交聯網絡。紫外光譜結果也進一步證實了這一強相互作用的存在（圖1f）。最終，這種新型材料在拉伸強度、斷裂伸長率、韌性和阻燃性等多個維度上，全面超越了現有其他聚氨酯彈性體材料（圖1g）。

材料的微觀結構決定了其宏觀性能。原子力顯微鏡觀察顯示，目標材料PU-DHDP呈現出獨特的“蠕蟲狀”微相分離結構，硬段區域尺寸均勻分散在軟段基體中。相比之下，不含剛性基團的對照樣品硬段區域尺寸劇增，形成不理想的海島結構，證明了π-π堆積對于形成理想微相分離形態至關重要。X射線衍射和變溫實驗進一步表明，材料內部的π-π堆積和氫鍵作用具有可逆的熱響應行為，隨著溫度升高解離，冷卻后又重新形成，這為材料的自修復和能量耗散提供了基礎。

圖1 研究背景及TPU彈性體分子設計與表征示意圖 a) 當前挑戰及b) TPU彈性體的典型前期工作。c) 目標PU-DHDP的化學結構及其性能參數。d) 三種對照樣品的化學結構。e) 分子動力學模擬顯示PU-DHDP中的π-π堆積和內聚能。f) 所用硬段及PU材料的紫外光譜。g) 與其他TPU材料的性能綜合對比。

在力學性能方面，這種新材料的表現堪稱卓越。通過調節硬段與軟段的比例，可以調控材料的最終性能。當DHDP與PTMEG的比例為0.4:0.6時，材料展現出最佳的綜合力學性能（圖2a）。在與三種對照材料的對比中，PU-DHDP的力學性能最為突出（圖2b）。一張僅0.3毫米厚、60毫克重的薄膜條，竟能輕松提起6公斤的重物，相當于其自身重量的10萬倍，其真實斷裂強度高達1.2吉帕斯卡（圖2c）。具體數據顯示，該材料的拉伸強度達到約46兆帕（圖2d），斷裂伸長率約為2500%（圖2e），韌性高達379兆焦耳每立方米（圖2f）。

研究團隊通過原位散射實驗揭示了材料優異力學性能的內在機制。二維小角X射線散射和二維廣角X射線衍射圖案顯示，當材料被拉伸時，散射環逐漸向拉伸方向集中，表明相結構發生取向排列（圖2g、圖2h）。X射線衍射結果進一步證實，隨著應變增加，π-π堆積和PTMEG結晶的峰強度顯著增強，產生了顯著的“應變硬化”效應（圖2i）。一維廣角X射線衍射剖面圖同樣清晰展示了這一結晶取向過程（圖2j）。這一機制能夠有效耗散能量，防止材料過早斷裂，當外力釋放后，動態的π-π堆積和氫鍵作用又能使分子鏈回彈復原（圖2k）。

圖2 力學性能 a) 不同DHDP與PTMEG比例的PU-DHDP彈性體以及b) 不同硬段PU材料在100 mm/min變形速率下的典型工程應力-應變曲線。c) PU-DHDP的真實應力-應變曲線。插圖為PU-DHDP彈性體樣條（60 mg）提起6.0 kg重物的照片。d) 不同硬段PU材料的拉伸強度、e) 斷裂應變及f) 韌性。g) PU-DHDP在不同應變下的二維小角X射線散射圖、h) 二維廣角X射線衍射圖、i) X射線衍射圖譜及j) 一維廣角X射線衍射圖譜。k) 高拉伸性PU-DHDP的機理示意圖。

在阻燃性能測試中，這款新型彈性體同樣表現出色。垂直燃燒測試表明，目標材料PU-DHDP接觸火源后能夠自行熄滅，沒有任何燃燒滴落物（圖3a），而對照材料PU-MDM、PU-BHAPE和PU-DBP均無法自熄，伴有熔滴燃燒現象（圖3b、3c、3d）。PU-DHDP達到了工業界最高的UL-94 V-0等級，其極限氧指數高達38.6%，遠高于對照材料（圖3e）。錐形量熱儀測試也顯示，PU-DHDP的熱釋放速率峰值比傳統PU-PTD材料降低了27%（圖3f）。

研究人員進一步探究了π-π堆積對阻燃性能的貢獻。流變學測試表明，隨著溫度升高，PU-DHDP的粘度下降趨勢比PU-BHAPE更為平緩，這得益于π-π堆積形成的物理交聯網絡（圖3g）。原位X射線衍射證實，即使在加熱過程中，π-π堆積的特征峰依然存在直至150攝氏度以上才逐漸減弱，證明了其熱穩定性（圖3h）。熱重分析曲線顯示，PU-DHDP的初始分解溫度高于PU-BHAPE，且最終殘炭量也更多（圖3i），表明π-π堆積有效限制了聚合物鏈的熱降解，促進了高質量炭層的形成。

圖3 阻燃性能 a) PU-DHDP、b) PU-MDM、c) PU-BHAPE及d) PU-DBP的UL-94測試。e) PU彈性體的極限氧指數和UL-94結果，f) 峰值熱釋放率。g) PU-DHDP和PU-BHAPE在空氣中的復數粘度隨溫度變化曲線。h) PU-DHDP在加熱過程中的X射線衍射圖譜。i) PU-DHDP和PU-BHAPE在空氣中的熱重分析曲線。

更令人興奮的是這款材料的自愈合能力。研究發現，愈合溫度對效率影響顯著，在110攝氏度時拉伸強度和斷裂伸長率的愈合效率分別達到95%和99%，溫度過高或過低均不利（圖4a）。愈合時間優化表明，3小時是最佳時長（圖4b）。顯微鏡觀察證實，劃痕（圖4c）和穿孔（圖4d）都能在愈合后完全消失，愈合后樣品的力學性能雖有輕微下降但仍保持較高水平（圖4e）。

通過與三種對照材料的對比，PU-DHDP的愈合效率最為優異（圖4f、圖4g）。分子動力學模擬從原子層面揭示了愈合過程，隨著時間增加，裂紋兩側的密度分布逐漸恢復，表明分子鏈實現了有效的相互擴散（圖4h）。弛豫模量曲線證實了材料內部存在快速的應力弛豫行為（圖4i）。活化能分析顯示，盡管PU-DHDP的玻璃化轉變溫度高于對照樣，但其側鏈聯苯結構具有更高的運動自由度，只需較小的空間就能擺動旋轉，從而降低了分子鏈擴散所需的活化能（圖4j）。可逆的π-π堆積為愈合過程提供了強大的內部驅動力，引導斷裂的界面重新“對接”起來。

圖4 自愈合性能 PU-DHDP彈性體在a)不同愈合溫度（愈合3小時）和b)不同愈合時間（110°C愈合）下，以拉伸強度和斷裂應變表征的愈合效率。c) 劃痕和d) 穿孔損傷后愈合的PU-DHDP顯微鏡圖像。e) 不同損傷模式下PU-DHDP在110°C愈合3小時后的工程應力-應變曲線。f) 原始及愈合后PU彈性體（愈合條件：110°C，3小時）的工程應力-應變曲線。g) PU材料在110°C、3小時條件下以拉伸強度和斷裂應變表征的愈合效率。h) 裂紋位置兩側沿(001)軸的距離-相對濃度變化關系。i) PU-DHDP的松弛模量曲線。j) PU材料的松弛時間與1/T關系圖。

基于其卓越的綜合性能，研究團隊進一步探索了該材料作為“電子皮膚”基底的應用潛力。他們設計了一款貼在手指上的裂紋編程彎曲傳感器，金納米線傳感層在指定關節區域預制了裂紋（圖5a、圖5b）。當手指彎曲時，傳感器特定區域的電阻發生顯著變化，而其他區域基本不變，實現了對中指不同關節彎曲狀態的精確檢測（圖5c）。

隨后，團隊利用超薄金納米線薄膜，制備了一款紋身般的應變傳感器，并用PU-DHDP作為封裝保護層（圖5d）。結果顯示，封裝后的傳感器不僅保持了原有的高靈敏度，其靈敏度因子在0-20%應變區間為0.18，在20-50%應變區間提升至0.44（圖5e）。該材料還可用于制備壓力傳感器，用于仿生機械手指（圖5f），對不同壓力表現出快速穩定的響應（圖5g）。在0-7.5千帕和10-20千帕兩個壓力范圍內，靈敏度分別為0.21和1.13每千帕（圖5h）。經過500次循環加載-卸載測試，傳感器信號幾乎沒有衰減，顯示出優異的長期穩定性（圖5i）。作為概念驗證，研究團隊將傳感器集成到丁腈手套上（圖5j、圖5k），傳感器的電阻信號隨手指彎曲角度從0度增加到150度而單調增加（圖5l），展示了其在可穿戴設備中的應用前景。

最值得一提的是阻燃封裝應用。當研究人員用火焰點燃由PU-DHDP封裝的傳感器時，封裝層立刻自熄，火焰未對傳感器的正常工作造成任何影響，而這是傳統商用PDMS封裝材料無法實現的。皮膚刺激性測試也證實了該材料的良好生物相容性。

圖5 PU-DHDP作為多模態紋身傳感器封裝材料 a) 裂紋編程彎曲傳感器示意圖。b) 貼于中指的金納米線電子皮膚紋身照片。c) 彎曲過程中六個不同區域的原位電阻測量。d) PU-DHDP封裝紋身應變傳感器示意圖。e) 封裝前后傳感器的電阻變化與應變關系。f) PU-DHDP基壓力傳感器示意圖。g) 壓力傳感器對不同壓力的實時響應。h) 壓力傳感器的靈敏度曲線。i) 壓力傳感器在10 kPa下500次加載/卸載循環的長期穩定性。j) PU-DHDP涂層丁腈手套及k) 附著金納米線的紋身傳感器。l) 傳感器響應與彎曲角度（0-150°）的關系。

這項研究通過巧妙的分子工程設計，成功地將強韌性、自愈合性和阻燃性這些看似矛盾的特性融合于單一材料體系之中。所開發的PU-DHDP彈性體不僅性能創下紀錄，而且其關鍵功能單體的合成僅需一步溫和反應，具備規模化生產的商業潛力。該工作為開發下一代高性能、高安全性的電子皮膚、軟體機器人、可穿戴傳感器以及柔性電子設備的封裝材料開辟了一條全新的道路，有望在未來智能設備領域發揮重要作用。