本研究由燕山大学（Yanshan University）乔宇轩（Yuxuan Qiao）、郭凯（Kai Guo）、焦体峰（Tifeng Jiao）、秦志辉（Zhihui Qin）以及天津大学（Tianjin University）郝东昭（Dongzhao Hao）、李俊杰（Junjie Li）等人合作完成，于2026年8月21日发表在《Science Advances》上，论文标题为“Rapid fabrication of stretchable, ultratough, and rigid polymer materials”。
该研究属于材料科学领域，聚焦于高性能聚合物材料的设计与快速制造。传统非晶态聚合物通常分为玻璃态塑料和弹性体两大类：玻璃态塑料如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和聚碳酸酯具有高刚度（约1 GPa）和高断裂强度（10至100 MPa），但往往表现出低韧性和有限的延展性；弹性体则因含有可旋转单键或柔性链而具备高拉伸性和韧性，但其刚度和断裂强度通常较低。刚度和韧性、可拉伸性之间存在内在的权衡关系，这一矛盾严重制约了高性能聚合物在软体机器人、智能纺织品和人工肌肉等领域的应用。已有研究通过仿生层级结构和动态非共价相互作用在增韧增强方面取得了重要进展，但这些方法通常依赖复杂的分子设计和多步合成工艺，涉及长时间加热、大量有机溶剂以及繁琐的溶剂蒸发步骤，不利于绿色可持续制造。传统光固化聚合物材料虽然制备快速简便，但往往难以同时实现高刚度与高延展性。因此，本研究旨在开发一种简单、快速且可规模化的策略，以制备同时具备高刚度、高韧性和高拉伸性的聚合物材料。
为实现这一目标，研究者提出了一种将具备构象转变能力的高密度侧链氢键基元整合到高度缠结的柔性聚合物网络中的策略。具体而言，该策略通过丙烯酰胺（acrylamide, AAM）类单体与羟基封端丙烯酸酯单体的光固化共聚实现。研究中以商品化低成本的丙烯酸2-羟乙酯（2-hydroxyethyl acrylate, HEA）和丙烯酰胺为代表性单体，在少量光引发剂Irgacure 2959和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）存在下，经365 nm紫外光照射1分钟即完成聚合。所制备的共聚物被命名为p(HEAx-co-AAM)，其中x表示HEA与AAM的摩尔比。例如，p(HEA4-co-AAM)由HEA与AAM按摩尔比4:1制备。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了聚合反应的成功，转化率超过95%。流变学时间扫描表明，p(HEA4-co-AAM)的凝胶化时间约为42秒。体系中HEA与AAM之间的强分子间氢键促进了单体预组装，Trommsdorff效应和放热正反馈共同加速了聚合物网络的形成。
在力学性能测试中，研究者系统考察了HEA与AAM摩尔比对p(HEAx-co-AAM)力学行为的影响。随着x从10降低至4，杨氏模量和屈服强度显著升高，而断裂应变逐渐降低。在最优摩尔比x=4时，p(HEA4-co-AAM)表现出杨氏模量515.0 ± 100.9 MPa、屈服强度57.8 ± 1.8 MPa、韧性135.7 ± 10.7 MJ/m³和断裂应变400.1 ± 46.1%，成功克服了传统聚合物中刚度、韧性和拉伸性之间的典型冲突。力学行为随温度变化明显：低于40°C时呈现典型热塑性塑料的屈服行为，高于40°C时屈服点消失，表现为类弹性体行为。循环拉伸测试显示，p(HEA4-co-AAM)在200%应变下的首次加载-卸载循环耗散能为63.19 MJ/m³，经70°C加热60秒后可完全恢复。
为阐明增韧机制，研究者结合温度依赖FTIR和应变依赖FTIR结合二维相关光谱（2D-COS）分析，揭示了氢键网络的分级解离行为。加热过程中，涉及羟基（─OH）的氢键完全解离，而涉及氨基（─NH2）的氢键仅部分保留，表明存在层级氢键结构。在拉伸变形过程中，与羟基相关的氢键首先解离，随后与氨基相关的氢键才发生解离。总氢键含量从初始的80.02%下降至400%应变时的61.89%。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，原始样品表面均匀光滑；在弹性变形阶段表面无明显变化；屈服后出现垂直于拉伸方向的微皱褶结构，伴随微纤丝拔出；进一步拉伸导致微皱褶局部断裂并形成微裂纹，引起应力发白。这些结果表明，致密氢键网络和链缠结作为有效物理交联点提供了高刚度，而分级氢键在外力作用下的连续解离和链段构象转变促进了能量的持续耗散和高延展性。
为验证分子设计原则的普适性，研究者合成了多种结构类似单体组成的共聚物。首先使用N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）和N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAAM）分别替代AAM，制备了p(HEAx-co-NIPAM)和p(HEAx-co-DMAAM)系列共聚物。最优的p(HEA2-co-NIPAM)表现出杨氏模量378.0 ± 61.6 MPa、屈服强度54.6 ± 2.6 MPa、韧性171.4 ± 5.2 MJ/m³和断裂应变579.0 ± 84.7%。p(HEA2-co-DMAAM)同样实现了高刚度、高强度和高韧性的组合。此外，使用4-羟基丁基丙烯酸酯（HBA）和丙烯酸2-羟基丙酯（HPA）分别替代HEA，与AAM共聚获得的p(HBA2-co-AAM)和p(HPA4-co-AAM)也同时具有高刚度和高韧性。通过系统比较发现，随着AAM类单体取代基从伯胺到叔胺变化，氢键供体数量减少，导致杨氏模量和屈服强度依p(HEA4-co-AAM) > p(HEA4-co-NIPAM) > p(HEA4-co-DMAAM)的顺序递减。增加丙烯酸酯单体中羰基和羟基之间的亚甲基数目（从HEA到HBA）可增强侧链氢键的旋转自由度，从而提高断裂应变但降低刚度。这些结果证实了分子结构与宏观力学性能之间的内在关联，证明了所提出策略的普适性。
在功能应用方面，快速光固化特性使该材料适用于光掩模图案化和数字光处理（DLP）3D打印，可实现复杂三维结构的高精度制造，最小打印分辨率为80 μm。该聚合物还表现出优异的形状记忆性能，在70°C加热30秒即可从临时形状恢复原始形状。基于快速形状恢复和高延展性，研究者展示了其作为单向驱动器的应用：一片27 mg的预拉伸样品可提升100 g负载29 mm，功输出达1.05 J/g。落球冲击试验表明，25 g钢球从150 cm高度落下时，p(HEA4-co-AAM)可将冲击力降低超过40%，显著优于发泡聚乙烯（EPE）泡沫的约15%。此外，由于表面富含羟基，该聚合物可通过多重氢键与多种基底形成强粘附，原位固化后对玻璃的粘附强度最高可达14 MPa，仅1 cm²粘接面积即可承重60 kg水桶。研究者还制备了MXene光热复合材料，展示了红外光响应的远程控制驱动能力。
本研究建立了一种通过简单光聚合快速制备兼具高刚度、高韧性和高拉伸性聚合物材料的通用策略。其核心科学价值在于阐明了高度缠结网络与分级侧链氢键协同作用实现刚-韧-延兼备的力学机制，特别是揭示了具有低旋转能垒的氢键在变形过程中的分级解离和能量耗散作用。应用价值方面，该策略使用商品化低成本单体，1分钟内即可完成固化，且可与3D打印和光掩模技术兼容，为高性能聚合物材料的大规模生产和复杂结构制造提供了绿色、高效的工业兼容范式。研究的亮点包括：首次通过光固化共聚在1分钟内制备出同时具备玻璃态塑料刚度和弹性体延展性的非晶态聚合物；通过系统对比结构类似单体阐明了氢键密度、侧链柔性和空间位阻对力学性能的精细调控规律；并展示了该材料在形状记忆、冲击防护、强粘附和光热驱动等多功能应用方面的潜力。