高性能弹性体在轮胎、密封件等工程领域需求迫切，但其固有的强度与回弹性难以兼得：传统策略依赖高密度动态相互作用（如氢键、配位键）提升强度，却因过度链缠结和熵增损失导致回弹性骤降。尤其在大变形后，材料残留应变显著，成为制约高端装备发展的瓶颈。
中科院兰州化学物理研究所王晓龙研究员、Jiang Pan、刘德胜助理研究员和受蜻蜓翅膀弹性蛋白（resilin）启发，提出“低熵罚弹性体”设计理念。通过精准调控动态硬畴的尺寸（约37nm）、间距及均匀分布，在形变中实现硬畴解离（熵增↑）与软段应变诱导结晶（SIC，焓减↓）的协同效应。熵焓补偿机制显著降低吉布斯自由能垒（ΔG = ΔH - TΔS），使材料同步实现88%超高回弹效率与80 MPa创纪录拉伸强度，同时具备203 MJ/m³韧性及168.5 kJ/m²断裂能。相关论文以Low-Entropy-Penalty Elastomers With Synergistic Resilience and Strength Via Resilin-Inspired Microphase Separation”为题，发表在Advanced Functional Materials上。
仿生微相分离结构
蜻蜓翅膀弹性蛋白的异质结构（图1a）启发了聚合物设计：通过氢键与配位键构建动态硬畴（图1d），调控三种微相分离状态（图1b）。最优的SPU-DP25%材料（硬段占比25%）中，硬畴均匀嵌入软链基质（图1e），其强度与回弹性远超文献报道值（图1f）。
图1. 受蜻蜓角质层弹性蛋白启发的可控聚氨酯微相分离示意图。
紫外光谱显示Zn²⁺浓度升高导致吸收峰红移（423→470 nm），证实配位键增强（图2a）。变温红外光谱（图2b-c）及二维相关谱（图2d）揭示氢键随温度升高逐步解离。分子动力学模拟（图2g）表明SPU-DP25%硬段形成3.65个氢键/链段，内聚能达405.9 kcal/mol，硬畴分散性最优。
图2. 几种 SPU-DPx% 弹性体的微相分离结构演化。
硬畴尺寸精准调控
小角X射线散射（SAXS）测得SPU-DP30%、25%、20%的硬畴尺寸分别为49.2、37.0和41.3 nm（图3a）。SPU-DP25%的散射峰强度与电子密度对比度最佳（图3b），二维SAXS图像（图3d）及原子力显微镜（图3e）证实其硬/软相分布最均匀，熵罚（|ΔS|）最低。
图3. 几种 SPU-DP x% 弹性体的微相分离调控机制。
力学性能创纪录
SPU-DP25%展现卓越综合性能：拉伸强度81.7 MPa、断裂伸长率679%、韧性203 MJ/m³（图4a-b）。仅0.4克材料可举起6公斤哑铃（自重1.5万倍，图4c）。其断裂能（168.5 kJ/m²）和抗穿刺力（68N）远超同类材料（图4h-i），DABA/PDH扩链剂摩尔比1:1时性能最优（图4d）。
图4. 不同 SPU-DP 弹性体的力学性能。
强韧化机制
密度泛函理论计算揭示配位键键能（87.98 kcal/mol）显著高于氢键（14.61–22.99 kcal/mol）（图5b）。原位SAXS/WAXS显示：拉伸至300%应变时，硬畴逐步解离（熵增↑），同时软段PTMEG发生SIC（q=14.3 nm⁻¹处晶面衍射峰增强），释放焓（ΔH↓）并形成可逆相界面（图5c-g）。
图5. SPU-DP 弹性体的强化与增韧机制。
超强回弹性机制
SPU-DP25%在100%应变下回弹率89%，残留应变仅11%（图6a）。即使300%大变形，仍保持89%回弹率（图6e），且在25–110°C宽温域及0.1–100Hz频段内稳定性优异。原位分析表明：恢复过程中SIC界面释放储存的吉布斯能（ΔGs），补偿熵损并驱动分子链重排（图6g-i）。
应用前景
该研究首次通过熵焓补偿机制破解弹性体“强度-回弹”互斥困境，所创低熵罚策略为高端装备弹性元件（如航空密封件、超载轮胎）提供全新材料平台。未来有望推动仿生弹性体在极端环境机械系统中的应用，助力我国重大工程装备技术升级。
图6. SPU-DP 弹性体的弹性性能及其内在机制。