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  高可拉伸性彈性體軟材料在柔性電子、軟體機器人和生物醫療裝置等領域具有重要應用前景，且與水凝膠相比，因為不含液體成分而更為穩定。然而，傳統彈性體由線形高分子交聯形成，其可拉伸性受高分子鏈間纏結的限制，難以進一步提高。近日，王九令博士 (現北京理工大學副教授) 與美國南卡羅來納大學葛挺 (Ting Ge) 教授合作，提出了基于環形高分子的高可拉伸性彈性體軟材料的設計方法，并揭示了其高可拉伸性的微觀機理。研究結果表明，環形高分子由于缺乏有效纏結且構象緊湊，由其交聯形成的彈性體具有更高的可拉伸性和更低的剪切模量。研究工作為發展高可拉伸性軟材料提供了理論指導。

圖1 環形和線形高分子彈性體拉伸時應力-應變行為，λ為拉伸比。

圖2 環形和線形高分子彈性體的 (a) 剪切模量和 (b, c) 纏結狀態。為交聯點間平均長度。

  為了進一步研究高分子纏結密度與其力學性能間的關系，作者得到了環形和線形高分子彈性體的剪切模量，如圖2所示。對于線形高分子，經典理論表明：剪切模量與交聯密度和纏結密度之和成正比，即

為交聯點間平均長度，N_e為纏結點間平均長度。作者的研究結果與經典理論一致，有

；且當

(即系統交聯密度趨近于0時)，由于線形高分子間纏結網絡的存在，彈性體的模量G為有限值。對于環形高分子，也有

；而當時，其模量趨近于0，這表明環形高分子間缺少有效纏結，其模量僅由交聯密度決定。同時，環形高分子的模量明顯小于線形高分子，這意味著采用環形高分子可以使彈性體的模量降低一個量級，從而接近于人體皮膚和組織的模量。作者也通過高分子的原始路徑分析 (

  以上研究成果以“Superstretchable Elastomer from Cross-linked Ring Polymers”為題于06月09日發表在物理領域頂級期刊《Phys. Rev. Lett.》(2022, 128: 237801) 上。論文第一作者為王九令博士 (目前為北京理工大學副教授)，通訊作者為南卡羅來納大學葛挺教授，合作者包括卡內基梅隆大學Thomas C. O’Connor教授，美國桑迪亞國家實驗室Gary S. Grest院士。在此之前，王九令博士與葛挺教授合作針對玻璃態環形高分子材料的塑性變形機理開展研究，揭示了環形高分子間纏結狀態影響材料力學性能的機理，成果發表在高分子科學權威期刊《Macromolecules》(2021, 54: 7500-7511)上，并入選了2022年1月30日的凝聚態物理研討會 (Journal Club for Condensed Matter Physics) 月度精選，由維也納大學Jan Smrek教授撰寫長文予以點評 (https://doi.org/10.36471/JCCM_January_2022_03)。

  論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.237801