軟材料在自然界和工程應用中無處不在，但它們普遍存在一個致命的弱點——機械不穩定性。無論是橡膠薄片、氣球、介電彈性體驅動器，還是血管壁，在受到壓縮或雙軸拉伸時，一旦超過臨界載荷，就會發生突然的“突跳”變形。這種不穩定性會導致材料空化、過早電擊穿甚至組織破裂。問題的根源在于傳統聚合物網絡的固有力學特性：網絡鏈段只有接近完全伸展時才會開始變硬，這種“遲滯的硬化”使得不穩定性在材料產生足夠抵抗力之前就已失控生長。聚合物物理學中的標度律揭示了一個根本性矛盾——網絡模量與鏈段長度成反比，而硬化發生的拉伸比與鏈段長度平方根成正比。這意味著，足夠柔軟以實現大變形的網絡，其硬化發生得太晚而無法阻止失穩；而能夠早期硬化的網絡又過于剛脆而無法應用。

針對這一長期存在的挑戰，浙江大學羅英武教授、念國棟研究員、Chen Zheqi博士研究團隊開發了一種名為“有序納米塑料-彈性體網絡”（OPEN）的新型材料架構，成功解決了柔軟性與穩定性之間的矛盾。該設計將少量剛性塑料納米域有序地排列在軟彈性體基體中，并用共價鍵將兩者牢固連接。這種結構產生了一個關鍵效應——應變放大：宏觀拉伸在軟基體中被極大放大，從而在不損害小應變柔軟性的前提下，提前觸發了應變硬化。理論和實驗均證明，僅引入5%體積分數的塑料納米域，即可消除介電彈性體驅動器中的突跳不穩定性，大幅提升其驅動性能。相關論文以“Ordered nanoplastic-elastomer networks resolve conflict between softness and stability”為題，發表在Nature Communications上。

圖1. 有序納米塑料-彈性體網絡放大局部應變。 (a) 在有序納米塑料-彈性體網絡中，剛性塑料納米域有序地排列在軟彈性體基體中；域與基體通過密集的共價鍵連接。(b) 變形時，塑料納米域不變形，密集的共價鍵傳遞應力。這種結構產生了一個關鍵的應變放大效應：宏觀應變在軟基體中被極大放大。

研究團隊通過理論建模首先預測了OPEN避免失穩的能力。考慮一個由兩個剛性納米域夾持一層彈性體基體的重復單元，由于塑料納米域幾乎不變形，共價鍵有效傳遞應力。對于給定的剛性域體積分數φ，不可變形部分沿一維的尺度約為φ1/3，因此基體經歷的微觀拉伸λm與宏觀拉伸λ之間滿足關系：λm = 1 + (λ - 1)/(1 - φ1/3)。有限元模擬結果顯示，對于φ=0.05的OPEN，應變被顯著放大（圖2c、2d）。在單軸拉伸和壓縮條件下，OPEN在保持小應變柔軟性的同時，在中到大應變范圍內顯著增強了應變硬化（圖2e、2f）。基于這一應力-拉伸關系，研究團隊進一步證明，OPEN可以有效防止介電彈性體驅動器（DEA）和氣動驅動器中的突跳失穩。對于DEA，常規聚合物網絡（φ=0）的無量綱電場-面積膨脹曲線呈現非單調特征，意味著器件會發生突跳失穩；而OPEN（φ=0.05）的曲線變為單調，表明失穩被抑制（圖2h）。類似地，在氣球充氣模型中，OPEN同樣消除了壓力-膨脹曲線中的突跳行為（圖2j）。該效應的有效性不依賴于軟基體的具體拉伸行為，且剛性域尺寸應在約10納米至1微米范圍內。

圖2. 理論預測。 (a) 有序納米塑料-彈性體網絡在單軸變形下的重復單元。(b) 含5 vol.%塑料納米域的OPEN單胞。(c) 單軸拉伸過程中微觀拉伸比作為宏觀拉伸比的函數。(d) OPEN在單軸拉伸下的有限元模擬結果。(e) 單軸拉伸和(f) 單軸壓縮下由模擬得到的應力-拉伸曲線。(g) DEA在未變形狀態下的厚度為H。靜電應力將DEA壓縮至厚度h。(h) 歸一化電場作為面積膨脹的函數。(i) 充氣壓力下的氣球。(j) 歸一化壓力作為面積膨脹的函數。

為實現這一設計，研究團隊開發了一種基于核殼乳膠粒子膠體組裝的全新制備方法。采用可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）活性自由基乳液聚合，以兩親性雙嵌段低聚物作為RAFT試劑和表面活性劑。首先加入軟基體單體丙烯酸-2-乙基己酯（EHA）和含光交聯基團的官能單體4-丙烯酰氧基二苯甲酮（ABP），在70°C下聚合得到P(EHA-co-ABP)軟乳膠粒子（圖3b）。隨后加入苯乙烯（St），在每條鏈的RAFT端繼續聚合生長出聚苯乙烯（PSt）鏈段，最終形成以玻璃態PSt為核、軟P(EHA-co-ABP)為殼的核殼結構粒子，核與殼通過共價鍵連接（圖3c）。將乳膠干燥后，毛細力使軟殼變形，粒子燒結成連續膜，再經紫外光照射一小時，光交聯基團產生自由基，軟鏈段交聯形成網絡（圖3d）。所制備的膜呈半透明淺藍色，這是由于有序塑料納米域的光散射產生的結構色。原子力顯微鏡圖像顯示塑料納米域呈有序分布（圖3g），SAXS分析表明相鄰核的中心距約為105納米，硬域直徑約60納米。

圖3. 有序納米塑料-彈性體網絡的制備。 (a) 兩親性雙嵌段低聚物RAFT試劑作為表面活性劑在水中形成膠束。(b) 向RAFT試劑的水分散液中加入EHA和ABP，由熱引發劑引發聚合。反應得到P(EHA-co-ABP)軟乳膠。(c) 向乳膠分散液中加入St，得到由玻璃態PSt核和軟P(EHA-co-ABP)殼組成的核殼乳膠。核與殼共價連接。(d) 乳膠干燥后暴露于紫外光下。光交聯基團將軟鏈段交聯成網絡。所得材料為OPEN膜。(e) 核殼乳膠照片。(f) 膜的照片。圖3e和f中的比例尺代表10 mm。(g) 橫截面的原子力顯微鏡圖像。比例尺為500 nm。(h) SAXS圖譜。圖3e-h對應含15 vol.% PSt的材料。

力學測試揭示了OPEN獨特的應力-應變行為。對于φ=0、0.05、0.10和0.15四種材料，隨著φ增大，硬化行為在更小的拉伸比下發生，實驗數據與有限元模擬結果高度吻合（圖4a）。將宏觀拉伸按應變放大關系換算為微觀拉伸后，所有曲線重疊在一起，證實應變放大效應確實改變了拉伸行為并提前觸發了硬化（圖4b）。OPEN的模量隨剛性域體積分數增加而溫和上升：純軟基體模量約為240 kPa，φ=0.05的OPEN模量約為280 kPa，表明少量剛性域即可增強應變硬化同時基本保持柔軟性。循環加載下OPEN呈現小滯后，且隨循環次數增加進一步減小，1000次循環后力學響應穩定。

在介電驅動性能方面，OPEN與常規網絡的表現形成鮮明對比。常規網絡最大面積膨脹僅約1.3倍，在標稱電場約30 V/μm（真實電場約40 V/μm）時擊穿（圖4c）。而φ=0.05的OPEN最大面積膨脹達到約2.1倍，擊穿標稱電場約45 V/μm（真實電場約100 V/μm），驅動能量密度提升了一個數量級（圖4e）。常規網絡的失效模式是“電機械突跳失穩”——臨界電壓觸發膜厚減薄與真實電場增加的正反饋循環，導致擊穿發生在遠低于材料電擊穿強度的電場下。OPEN則成功避免了這種失穩，實現了大而穩定的面積膨脹，直至達到材料的真實電擊穿強度。對于不同φ的OPEN，最大面積膨脹與φ呈λa,max~ φ-0.30的標度關系，接近理論預測的φ-1/3。

圖4. 有序納米塑料-彈性體網絡避免了電機械突跳失穩。 (a) 不同塑料納米域體積分數φ的OPEN在單軸拉伸下的宏觀應力-拉伸曲線。(b) 使用公式1轉換圖4a中的曲線得到的微觀應力-拉伸曲線。(c) 常規聚合物網絡和(d) φ=0.05的OPEN的面積膨脹作為標稱電場的函數。在圖4c和d中，每種形狀的點代表一次獨立的實驗。每種網絡進行三次獨立實驗。照片中的比例尺為1 mm。(e) 兩種網絡的最大面積膨脹、擊穿場強和最大能量密度。圖e中帶誤差棒的數據以平均值±標準差（n=3個重復）表示。(f) OPEN的最大面積膨脹作為塑料納米域體積分數的函數。

研究團隊通過對比實驗進一步驗證了OPEN的兩大設計原則。有限元模擬表明，強界面黏結使剛性域作為不可變形夾雜物有效傳遞應力并放大應變（圖5a），而弱界面黏結則導致脫黏和空化（圖5b），無法產生應變放大和應變硬化（圖5c、5d）。作為對照，研究團隊制備了隨機納米塑料-彈性體網絡（RPEN），其中剛性塑料納米域隨機分布在軟基體中，且僅依靠弱非共價相互作用黏附。實驗表明，RPEN的模量（約550 kPa）遠高于OPEN（約280 kPa），這是由于隨機堆積導致剛性域可能形成緊密接觸。加載至兩倍原長后卸載，RPEN呈現約22%的顯著滯后，而OPEN的滯后可忽略（圖5f）。在電壓驅動下，RPEN的面積膨脹僅約1.4倍，約為OPEN的一半（圖5h）。這些結果充分證明，有序分布和強共價界面鍵合是OPEN實現優異性能的關鍵。

圖5. OPEN設計原則的驗證。 在有限元模擬中，將(a)強界面黏結材料和(b)弱界面黏結材料拉伸至原長的3.5倍。(c) 微觀拉伸比作為宏觀拉伸比的函數。取相鄰剛性納米域之間中點處的局部拉伸比為代表性的微觀拉伸比。(d) 由有限元模擬得到的應力-拉伸曲線。(e) 隨機納米塑料-彈性體網絡和有序納米塑料-彈性體網絡的設計示意圖。(f) 將兩種材料加載至兩倍原長后卸載。(g) OPEN中的強鍵合阻止橡膠鏈從剛性域上脫附，而RPEN中的弱鍵合無法阻止脫附。(h) RPEN與OPEN的性能對比。圖h中帶誤差棒的數據以平均值±標準差（n=3個重復）表示。

該研究提出的OPEN架構提供了一種模塊化設計策略——在不改變軟基體化學組成的前提下，通過引入少量剛性域實現應變硬化增強，同時保持彈性和柔軟性。這一機理不同于傳統的顆粒增強彈性體（后者通常呈現應變軟化而非應變硬化），也不同于分子刷彈性體（后者通過改變鏈拓撲結構實現應變硬化）。兩種策略可互為補充。研究人員指出，盡管“應變放大效應”可追溯至20世紀60年代的復合材料理論，但這是首次將該效應系統應用于功能性軟器件設計。OPEN的潛在應用不限于軟體驅動器，還可用于需要柔軟性以填充間隙、同時需要應變硬化以承受流體壓力的軟密封件，以及模仿皮膚等生物組織非線性力學行為的仿生材料。未來，通過將納米域排列成非球形幾何結構引入各向異性，有望進一步增強定向應變放大和應變硬化行為。