北京
2026年7月，南极熊获悉，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）软材料实验室报告称，他们研制的双网络颗粒弹性体（DNGE）同时具备很强的抗断裂性和抗疲劳性，打破了材料科学中韧性和疲劳强度不可兼得的常规。DNGE最初为3D打印设计，测试中断裂韧性达到同类弹性体的15倍，抗疲劳强度达到3倍。
△这项研究相关成果已发表在《Science Advances》期刊上，研究题目为“抗疲劳、高韧性的双网络颗粒弹性体”（传送门）
韧性与疲劳：长期困扰材料的二选一
材料科学里一直有个老难题：韧性好的不耐疲劳，耐疲劳的不够韧。DNGE把这个二选一给破了。
SMaL团队于2024年首次推出DNGE，一种柔性橡胶状材料，由微观弹性体颗粒组成，这些颗粒通过更柔软的弹性体网络连接在一起，被设想为用于打印具有精确调节机械性能结构的“油墨”。
SMaL负责人Esther Amstad说：“最初我们主要关注材料的加工性能，后来发现这种颗粒状结构本身就很坚韧。这种韧性很大程度上来自重复的能量耗散机制——材料可以反复吸收能量而不发生不可逆断裂。”
△双网络颗粒弹性体（DNGE）
两种网络分担应力，裂缝走弯路
Amstad将这种材料能够绕过常规权衡归功于异常多样的内部结构：“两种不同的网络——一种由颗粒状弹性体构成，另一种由柔软的弹性体构成，它们彼此分担机械应力，让材料整体强度更高。”
测试结果也印证了这一点：优化后的DNGE断裂韧性可达同类弹性体的15倍，抗疲劳强度可达3倍。当材料被拉伸时，应力会从刚性微粒转移到周围较软的区域，聚合物链滑动重排而不是断裂，反复释放应变能，把永久性损伤降到最低。
颗粒状布局还能改变裂缝走向，裂缝不直着跑，而是在颗粒间较软的区域蜿蜒前行，这种曲折路径减缓了裂缝蔓延速度。
△双网络颗粒状弹性体
这项研究说明，为先进3D打印技术构建的架构，也可以成为制造更持久耐用软材料的蓝图。潜在应用包括软体机器人、柔性电子产品和生物医学设备。这些产品都需要在较长使用寿命中承受反复压力和变形。
团队目前正以可持续性为目标改进材料，探索可生物降解弹性体以及用回收原料制成的版本。Amstad表示：“目标是在不影响机械性能的前提下采用更可持续的材料，同时让任何拥有商用3D打印机的实验室都能用上。”
△DNGE、DN和SN系统的示意图
几个绕不开的局限
不过，这种方法存在明显的权衡取舍，其中最主要的是刚度。添加软微粒只能略微提高弹性体的刚度，因此DNGE最终比它们在韧性方面优于的本体双网络弹性体更软。打印多材料复合材料可以恢复一些刚度，但只是部分恢复，作者表示，进一步提高刚度仍是未来的研究方向。
耐久性也有极限。DNGE材料之所以具有抗疲劳性，是因为它能够重复地耗散低损伤能量，但这仅适用于中等应变。如果拉伸材料力度过大，刚性微粒内部的共价键就会断裂，这种损伤会不断累积，最终导致部件失效。反复循环也会导致材料升温，这在某些工程应用中是不理想的，尽管在远高于材料玻璃化转变温度的测试中，这种影响仍然有限。
另外，制造过程本身也存在一些限制。固化紫外光对颗粒状油墨的穿透深度有限，团队把样品厚度控制在5毫米左右，确保固化均匀；做更厚的部件需要换一套方法。
总的来说，DNGE目前刚度还不够，厚度也有限，离工业级应用还有距离。但EPFL这个团队做的事挺清楚，他们证明了弹性的材料不一定不耐疲劳，韧性和抗疲劳可以同时做到。材料科学里那个老问题，他们给出了一个可行的方向。下一步就是怎么把刚度提上来、把厚度做上去，让这东西从实验室走到实际设备里去。
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