想象一下：如果沒有“又強(qiáng)又彈”的材料，我們每天的出行和生活會(huì)變得多么麻煩？輪胎，是支撐汽車高速行駛的“鞋子”，既要在炙熱的公路上承受高速摩擦，又要在坑洼路面承受瞬間沖擊；減震器，是車輛與道路之間的“緩沖墊”，既要穩(wěn)住車身，又要讓顛簸感最小化。這些都離不開一種理想材料：既要夠強(qiáng)，承受住壓力，不易形變，又要夠彈，受到擠壓后能迅速恢復(fù)原狀。在目前的工程應(yīng)用中，高彈性聚氨酯就是這樣一種不可替代的關(guān)鍵材料。

然而，高強(qiáng)度與高回彈性的兼容始終面臨挑戰(zhàn)。對(duì)材料科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這像是一道讓人頭疼的“不可能三角”：若要增強(qiáng)強(qiáng)度，材料容易變脆；若要提升彈性，材料容易變軟；若想兩者兼顧，熵罰（Entropy Penalty，指是當(dāng)單體分子從無(wú)序的自由狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻木酆衔镦湢顟B(tài)時(shí)，系統(tǒng)中熵的減少量。）效應(yīng)讓設(shè)計(jì)變得更難。就像用一根彈簧去舉重——你可以做得很硬，但它會(huì)失去回彈；你可以做得很彈，又難以承重。傳統(tǒng)聚氨酯就是如此，想把它變強(qiáng)，就要在分子里加“硬核支撐”，可這樣分子鏈的活動(dòng)自由度被限制，回彈性就被犧牲了。

面對(duì)長(zhǎng)久以來(lái)的痛點(diǎn)，近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3D打印摩擦器件組從蜻蜓翅膀中獲得靈感，提出了一種解決上述問(wèn)題的策略。

自然界的完美答案：蜻蜓的翅膀?yàn)楹文芨哳l振動(dòng)？

實(shí)際上，對(duì)于這個(gè)困擾我們的“不可能三角”，自然界早就把這道難題解出來(lái)了！

你或許沒注意過(guò)，蜻蜓是飛行界的“超級(jí)跑車”——它們翅膀振動(dòng)的頻率可以高達(dá)每秒數(shù)百次，一旦振翅，它幾乎可以懸停、俯沖、急轉(zhuǎn)彎，靈活得像一架無(wú)人機(jī)。它是怎么做到的？秘訣就在于它翅膀里隱藏的一種神奇材料：節(jié)肢彈性蛋白（Resilin）。這是一種近乎完美的天然彈性材料，彈性接近100%，可以反復(fù)形變幾百萬(wàn)次都不會(huì)疲勞斷裂，簡(jiǎn)直是“自然界的超級(jí)橡膠”。

這種彈性蛋白內(nèi)部藏著一個(gè)“小秘密”——它包含大量?jī)?nèi)在無(wú)序區(qū)（IDRs），也就是指沒有固定結(jié)構(gòu)的“柔性區(qū)域”。這些區(qū)域就像“分子級(jí)魔術(shù)貼”，可以通過(guò)多點(diǎn)的弱相互作用（如氫鍵、π-π堆積、靜電和疏水作用）靈活地粘合或分開。在特定的環(huán)境條件下（如pH、鹽濃度、溫度等），這些分子之間會(huì)像油滴在水中那樣發(fā)生液-液相分離，形成一個(gè)個(gè)可逆的富集小液滴。這種結(jié)構(gòu)不像傳統(tǒng)材料那樣依賴死板的永久交聯(lián)，而是構(gòu)建了一個(gè)多尺度、可調(diào)節(jié)的能量耗散與恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，這正是它兼具強(qiáng)度與彈性的關(guān)鍵。

這種組合，讓蜻蜓即便是雨天飛行，翅膀經(jīng)受風(fēng)雨拍打、彎曲、形變，都能毫發(fā)無(wú)損地恢復(fù)原狀。這就是自然界最優(yōu)雅、精妙的設(shè)計(jì)！

蜻蜓翅膀肌腱中彈性蛋白的熒光顯微鏡拍攝

（圖片來(lái)源：Nature2005, 437, 999.）

新材料誕生：科學(xué)家如何將靈感轉(zhuǎn)為實(shí)踐？

受到自然界中“蜻蜓翅膀”的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)開始思考：能不能把這個(gè)“秘訣”復(fù)制到人工材料里？

團(tuán)隊(duì)從分子層面動(dòng)手：先在聚氨酯分子里引入動(dòng)態(tài)氫鍵和配位鍵，像在分子內(nèi)部埋了“魔術(shù)拉鏈”，它們既能牢牢固定硬域的形狀，又能在拉伸時(shí)自動(dòng)解鎖。當(dāng)材料受到外力拉伸時(shí)，硬域先分解，釋放了分子鏈的“自由度”，熵增加（形變?nèi)菀祝�；與此同時(shí)，柔軟的鏈段會(huì)有序結(jié)晶，吸收能量，焓降低（彈性增強(qiáng)）；這種能量的“此消彼長(zhǎng)”讓材料變得又強(qiáng)又彈，一舉打破了“熵罰”難題。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，這種“低熵罰聚氨酯”展現(xiàn)了驚人的性能：拉伸強(qiáng)度超過(guò)80MPa（兆帕），比許多常見工程塑料還要強(qiáng)；回彈率超過(guò)88%，彈性幾乎媲美天然節(jié)肢彈性蛋白（Resilin）；耐用性更高，重復(fù)拉伸、回彈依然性能穩(wěn)定�？此破胀ǖ木郯滨椥泽w，背后其實(shí)藏著蜻蜓翅膀的秘密武器。

受蜻蜓角質(zhì)層中彈性蛋白啟發(fā)的可調(diào)聚氨酯彈性體設(shè)計(jì)制備示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

未來(lái)應(yīng)用：從輪胎到航天，哪些領(lǐng)域?qū)⑹芤妫?/h5>

那么，這塊“又強(qiáng)又彈”的新材料，將給我們的生活帶來(lái)哪些改變？

智能減震器：它可以構(gòu)建出更靈敏、更耐久、更適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的減震系統(tǒng)。比如在坑洼不平的路面上，它能夠迅速吸收沖擊能量并迅速恢復(fù)形變，大幅提升減震響應(yīng)速度；在長(zhǎng)期使用中，它又具備極高的疲勞耐受性，不易老化或失效。這種智能減震器都能帶來(lái)更高的安全性。

高性能密封件：在航天器、深海潛水器等極端環(huán)境中，密封圈必須耐寒、耐高溫、耐腐蝕，還得反復(fù)壓縮不失效——這種材料正好派上用場(chǎng)，讓飛船飛得更遠(yuǎn)、潛艇潛得更深。

柔性機(jī)器人與可穿戴設(shè)備：想象一下，這種柔軟如皮膚卻堅(jiān)韌如裝甲的新型材料，將成為構(gòu)建機(jī)器人關(guān)節(jié)、輕便卻超級(jí)耐用的智能手環(huán)以及柔性傳感器的理想選擇，為這些設(shè)備提供“智能防護(hù)外殼”。

結(jié)語(yǔ)：仿生材料的未來(lái)

從蜻蜓翅膀到高性能聚氨酯，團(tuán)隊(duì)再次證明了一個(gè)道理：自然界就是最偉大的材料科學(xué)家。當(dāng)人類學(xué)會(huì)站在微觀世界，模仿自然的智慧，“不可能三角”也許就會(huì)被逐一破解。

未來(lái)，或許還有更多“仿生材料”會(huì)改變我們的生活：自愈合的涂層、超強(qiáng)韌的仿蛛絲纖維……下一次，當(dāng)你看到一只蜻蜓劃過(guò)水面，不妨想一想，它的翅膀，或許就是未來(lái)一款超級(jí)材料的靈感來(lái)源。

參考文獻(xiàn)

[1] Changcheng Bai et al. “Low‐Entropy‐Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin‐Inspired Microphase Separation.”Advanced Functional Materials(2025): e10053.

出品：科普中國(guó)

作者：白常成，劉德勝，王曉龍（中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

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