本研究由燕山大学乔宇轩、焦体峰、秦志辉以及天津大学郝东召、李俊杰等学者合作完成，并于2026年8月21日发表在 Science Advances 期刊上，题为“Rapid fabrication of stretchable, ultratough, and rigid polymer materials”。该研究属于材料科学领域，核心目标是解决高分子材料在刚度（stiffness）、韧性（toughness）、拉伸性（stretchability）以及可规模化制造之间的固有矛盾。传统非晶态聚合物通常分为玻璃态塑料和弹性体两大类：玻璃态塑料具有高刚度（约1 GPa）和高断裂强度（10–100 MPa），但延伸率低、易发生脆性断裂；弹性体虽然具有高拉伸性和韧性，但刚度和强度不足。近年来，研究者尝试通过引入分级非共价相互作用（如氢键、静电作用、配位作用）来打破这一性能权衡，但这些方法往往依赖复杂的分子设计和多步合成工艺，耗时、耗能且产生大量有机挥发物，难以实现绿色和可持续制造。因此，本研究旨在开发一种简单、快速且可推广的策略，同时实现高刚度、高韧性和高拉伸性。

该研究的核心思路是将具有构象适应性的高密度侧链氢键基元引入高度缠结的柔性聚合物网络中。具体而言，作者选择了丙烯酰胺（acrylamide, AAM）基单体和羟基封端的丙烯酸酯单体（如丙烯酸-2-羟基乙酯，2-hydroxyethyl acrylate, HEA），通过光固化共聚反应，在低用量交联剂和光引发剂条件下，于一分钟内快速制备出目标聚合物。研究团队系统制备了一系列不同HEA与AAM摩尔比的共聚物，记为P(HEAx-co-AAM)，其中x代表HEA与AAM的摩尔比。以P(HEA4-co-AAM)为代表，通过紫外光照约42秒即可完成凝胶化，单体转化率超过95%。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了聚合成功；流变学时间扫描显示凝胶点出现在约42秒；黏度分析和红外热成像进一步揭示了Trommsdorff效应和放热正反馈对快速聚合的协同促进作用。所得聚合物具有均匀无定形结构和高透明性，2毫米厚、10毫米宽的样片可在单悬臂模式下无弯曲地承受1千克载荷，同时可被拉伸至原长的4.5倍而不发生断裂。

在力学性能方面，P(HEAx-co-AAM)体系的力学行为随x值变化可在软而可拉伸、刚而韧、刚而脆之间广泛调节。最优样品P(HEA4-co-AAM)的杨氏模量（Young’s modulus）达到515.0±100.9 MPa，屈服强度（yield strength）为57.8±1.8 MPa，断裂应变（fracture strain）为400.1±46.1%，韧性（toughness）为135.7±10.7 MJ/m³。这一性能组合在刚度、强度和韧性上同时超越了多数已报道的玻璃态聚合物和弹性体。动态力学分析（DMA）和差示扫描量热法（DSC）表明其玻璃化转变温度（glass transition temperature, Tg）高于室温，且材料表现出明显的黏弹性和温度依赖性。循环拉伸测试显示，在200%应变下首次加载-卸载循环耗散能量为63.19 MJ/m³，在70°C加热60秒后完全恢复；蠕变和应力松弛实验进一步证实了加热可激活链段运动并促进网络恢复。

为揭示增韧机制，作者通过变温FTIR和二维相关光谱（2D-COS）分析了氢键网络的结构演化。结果表明，P(HEA4-co-AAM)中存在分级氢键结构：涉及羟基（─OH）的氢键在加热时完全解离，而涉及酰胺基（─NH2）的氢键仅部分保留。在拉伸过程中，羟基相关氢键最先解离，随后是酰胺相关氢键，呈现逐级耗散能量的特征。原位拉伸FTIR和扫描电子显微镜（SEM）观察显示，材料在弹性阶段保持均质光滑表面；屈服后出现垂直于拉伸方向的微皱褶（microwrinkles）和微纤丝（microfibrils）；塑性流动阶段伴随应力发白（stress whitening）和微纤丝取向；最终应变硬化阶段发生微纤丝局部断裂和微裂纹形成。氢键总含量从初始的80.02%降至400%应变时的61.89%，证实了部分氢键的可逆解离。这些结果说明，高密度氢键和高缠结网络在初始变形时提供高能垒，赋予材料高刚度；而在后续变形中，分级氢键的逐级解离和高缠结链的有效延伸协同耗散能量，从而实现高韧性和高拉伸性。

为验证策略的普适性，作者将AAM替换为N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）和N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAAM），或将HEA替换为丙烯酸-4-羟基丁酯（HBA）和丙烯酸-2-羟基丙酯（HPA），系统考察了单体结构对力学性能的影响。结果显示，P(HEA2-co-NIPAM)的杨氏模量为378.0±61.6 MPa，韧性为171.4±5.2 MJ/m³，断裂应变为579.0±84.7%；P(HEA2-co-DMAAM)也实现了刚度、强度和韧性的同步提升；P(HBA2-co-AAM)和P(HPA4-co-AAM)同样表现出优异的综合力学性能。随着AAM类单体上取代基由伯胺向叔胺演变，氢键供体数量减少，网络氢键密度下降，导致屈服强度和杨氏模量依次降低；而增加丙烯酸酯单体中羰基与羟基之间的亚甲基数目可提高侧链旋转自由度，从而增大断裂应变并降低刚度。这些构效关系为高性能聚合物的理性设计提供了框架。

在制造与功能应用方面，P(HEA4-co-AAM)可通过光掩模技术和数字光处理（DLP）三维打印制备复杂结构，最小打印线宽达80 μm，方向尺寸精度为86.07±2.58%。材料还表现出优异的形状记忆性能，样品在加热至70°C后30秒内即可恢复原始形状；作为单向驱动器，27 mg的预应变薄膜可提起100 g负载29 mm，输出功为1.05 J/g。该材料具有显著的抗冲击性能，25 g钢球从150 cm高度落下时，冲击力降低超过40%，优于发泡聚乙烯（EPE）泡沫；聚合物保护的玻璃片在落球冲击下保持完整，而未保护和泡沫保护的玻璃片均碎裂。此外，P(HEA4-co-AAM)表面丰富的羟基可与多种基底形成多重氢键，赋予材料高强度粘接能力，原位固化后对玻璃的粘接强度最高可达14 MPa，仅1 cm²的粘接面积即可提起60 kg的水桶。通过引入MXene作为光热填料，复合材料还可在红外光驱动下实现远程可控变形，展示了在柔性电子、智能驱动器和冲击防护等领域的应用前景。

本研究提出了一种通过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普适策略。其核心科学价值在于揭示了高缠结网络与分级侧链氢键协同增刚增韧的分子机制，尤其是低旋转能垒的羟基相关氢键在应变下的优先解离对能量耗散和链段运动恢复的关键作用。应用价值方面，该方法原料廉价易得、工艺简单快速、无需有机溶剂，符合绿色制造要求，且与3D打印等先进制造技术高度兼容，为下一代高性能聚合物材料的大规模生产与应用奠定了基础。