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  從日常使用的手機屏幕到航空領域的飛機舷窗，有機玻璃作為一種重要的透明材料，已廣泛應用于現代工業與生活的諸多方面。然而，傳統高分子有機玻璃長期面臨著一個根本性難題：強度、硬度與韌性難以兼得。當材料設計追求更高的表面硬度時，分子鏈段運動受限，往往導致韌性下降、抗沖擊能力減弱；反之，若為提升韌性而增強鏈段的活動能力，表面硬度又難以保證。這種源于高分子鏈狀結構的固有矛盾，成為制約有機玻璃向高端領域拓展的“性能天花板”。為突破這一局限，學界與工業界開展了持續探索，包括引入納米填料構建復合材料，以及在分子鏈間構筑超分子相互作用。這些策略在一定程度上優化了材料性能，但始終未能跳出高分子鏈的基本框架，“魚與熊掌不可兼得”的根本矛盾依然懸而未解。那么，如果放棄傳統的聚合物長鏈，換一種搭建方式構筑玻璃會怎樣？

  跳出傳統思維框架，華南理工大學殷盼超教授團隊另辟蹊徑，提出以剛性分子顆粒替代高分子鏈的全新構建策略。他們選取尺寸不足1納米的剛性分子顆粒——多面體籠狀寡聚倍半硅氧烷（POSS）作為基本結構單元，其原子結構精確可控，如同樂高積木般穩定規整。進一步地，團隊利用可逆的“動態硼酯鍵”作為智能連接件，將這些納米顆粒精準拼接，構筑出三維網絡結構。這一策略不僅突破了傳統有機玻璃的性能局限，更開創了一種全新的設計范式：在保留高機械強度與透明性的同時，實現了硬度、粘附性、加工性與抗沖擊性的均衡提升。

  實驗結果顯示，該材料展現出全面而優異的性能：

• 高透明度：透光率超過89.5%，視覺清晰度媲美傳統光學玻璃。

• 高硬度與強度：彈性模量達1.79 GPa，硬度達0.36 GPa，兼具耐磨與剛性。

• 優異抗沖擊性：能量耗散能力高達258.14 J cm^-3，超越典型聚合物。

• 良好的加工性：可通過簡單熱壓制備厚度僅1.3 μm的超薄薄膜。

• 強粘附力：得益于豐富的B-O鍵與羥基，對玻璃基底的搭接剪切強度高達 8.20 MPa。

  具體地，這種新型有機玻璃的構建思路清晰而精巧：以攜帶8個鄰二羥基的POSS分子簇為結構單元，以1,4-苯二硼酸為交聯劑，通過二者之間形成的動態硼酸酯鍵，將離散的“納米積木”連接成三維網絡。研究者通過核磁共振與紅外光譜證實了動態共價鍵的成功構建，而小角X射線與中子散射技術則進一步揭示其微觀結構：交聯后的POSS核心保持完整，并在網絡中均勻分散，原有的POSS聚集體被解構，為后續優異的宏觀力學性能奠定了結構基礎。研究同時發現，當PBA含量過高時，部分未反應的PBA會結晶析出，這一發現也為優化材料配比提供了明確指導。

圖1 分子顆粒玻璃的設計策略與結構表征

  POSS@PBA粉末可在溫和條件（60 °C）下被加工成任意形狀，甚至制備成厚度僅1.3微米的超薄薄膜，展現出優異的加工適應性。光學測試表明，其透光率超過89.5%，與石英玻璃和PMMA相當，透明度隨PBA含量增加略有下降，過高時因相分離和微晶形成導致不透明。力學性能隨PBA含量呈現大范圍調控：低含量時材料柔軟可拉伸（模量3.51 MPa），高含量時轉變為剛性玻璃（模量1.79 GPa，提升近500倍），剪切模量在寬溫區內保持GPa水平。通過重熔-再固化循環，材料可完全恢復原始性能，實現閉環回收。這一結果清晰地揭示了交聯密度對材料性能的決定性影響。

圖2 MGM玻璃的加工性能、光學透明度與力學性能

  納米壓痕測試揭示了材料力學性能隨PBA含量的演變規律：隨著PBA含量增加，彈性模量從1.48 GPa提升至3.92 GPa，硬度高達0.36 GPa，接近聚酰亞胺甚至鋁合金水平。然而過高PBA含量因空間位阻導致交聯密度飽和，力學性能不升反降。分離式霍普金森壓桿測試進一步證實其卓越抗沖擊性：POSS@PBA-4:1在高速沖擊下仍保持結構完整，最大流動應力達695 MPa，沖擊韌性高達258.14 J cm^-3。這一優異性能源于雙重協同機制——快速氫鍵瞬時耗能，慢速硼酸酯交換驅動結構恢復。此外，材料經多次再加工后力學性能幾乎無衰減，且在接近玻璃化轉變溫度時展現出劃痕自修復能力，為極端條件下的應用提供了可靠保障。

圖3 MGM玻璃的力學性能深度解析：納米壓痕與動態沖擊

  為揭示其優異力學性能的物理起源，研究者采用寬帶介電譜對材料的動力學行為進行探測。與POSS前驅體相比，交聯后的POSS@PBA-8:3在高溫區出現歸屬于硼酯鍵交換動力學的額外松弛過程，其α和β松弛因結構受限而顯著減慢，而γ松弛因PBA插入導致POSS間距增大反而加快——快速次級松弛的保留為材料在高速沖擊下實現高能量耗散提供了結構基礎。動態共價鍵與密集氫鍵的協同作用，構筑了兼具高模量、高硬度和優異抗沖擊性能的強韌網絡。在粘附性能方面，POSS@PBA對玻璃表面展現出高達8.20 MPa的剪切強度，破壞模式為內聚破壞，證實其界面鍵合強度已超越材料自身內聚強度。硼酸酯鍵的水解敏感性賦予材料按需脫粘的刺激響應特性，進一步拓展了應用場景。經濟高效的制造工藝與閉環可回收性，使該材料高度契合當前綠色生產與原子經濟性的發展理念。

圖4 MGM玻璃的多級動力學與粘附性能

  該項工作利用動態硼酸酯化學，以亞納米尺度的POSS為結構單元，成功構建了一類全新的分子顆粒玻璃。重要的是，這種“無聚合物”的設計策略，從根源上破解了困擾材料界近百年的強度-韌性悖論。從修修補補到重新奠基，分子顆粒玻璃的誕生，或許正是下一代高性能光學與防護材料的新起點。該成果最近以“Dynamic Covalent Networks of Molecular Clusters for Hard and Impact-Resistant Glass with Feasible Processability”為題發表在“Advanced Science”上，論文的通訊作者為華南理工大學殷盼超教授。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202524238