河北
从家用塑料包装到用于支撑可穿戴电子设备的柔性框架，聚合物材料默默支撑着现代生活。从微观来看，聚合物由带状的分子链组成，这些分子链相互缠绕成乱糟糟的一团，就像一碗煮熟的面条。
几十年来，这些不可预测的分子扭曲和缠结使得科学家难以控制、描绘或定制最终材料的性能。
由香港大学（港大）化学系王宇锋教授和欧阳灏宇教授领导的研究团队攻克了这一难题，取得了重大突破。
通过使用离散分子环作为聚合物缠结的精确结构模型，该团队理清了分子架构与材料性能之间的复杂关系，从而把刚度、强度、弹性这些特性跟分子环的具体结构和拓扑结构对上号。
他们的成果发表在《美国化学学会杂志》上。
利用“金属开关”调节材料
这项研究的核心在于发现了分子环的“隐藏长度”，就是材料结构里的一种分子松弛状态，一拉就释放出来。就像安全带猛地一收，把冲击力卸掉，或者弹簧“啪”地弹回去，不同的分子结构，受力时的反应完全不一样，最后材料的表现也就不一样了。
通过用结构精确的分子环取代传统聚合物中乱糟糟的缠结，研究人员得以观察不同架构如何储存和释放能量。例如，简单的大环结构高度灵活，还藏着不少“余量”；当材料受到应力时，这种内部松弛会展开以吸收冲击，从而带来卓越的韧性和耐久性。
相比之下，机械互锁环（称为索烃）则形状更受约束、也更紧凑。团队发现，由于这些互锁环可展开的“松弛”较少，它们反应特别快，跟弹簧似的。这创造了一种具有高弹性的材料，使其在拉伸后能高效地弹回原始形状。
团队进一步推进了研究，展示了这些材料可按需调节。通过向分子环中引入铜离子，就能把内部的松弛劲儿锁住，以增加刚性。这种操控结构刚性的能力，使得材料的特性（如硬度和弹性）能根据需要随时调，想让它变硬就变硬，想让它变弹就变弹。
为软体机器人与组织工程铺平道路
这一发现为创造具有高精专功能的新一代“智能”材料提供了蓝图。通过厘清这些不同的机械路径，港大团队为指导设计具有特定性能的新材料提供了新框架。
港大化学系何宇阳教授表示，这项研究帮助科学家更深入地理解分子层面的缠结如何影响材料性能，为设计不同用途的专用材料打开了新路子。
“通过选择合适的分子‘结’并控制其‘隐藏长度’，我们现在能按不同需求做出有特定功能的材料。”
香港大学化学系的王宇峰教授补充说，这些发现可能对软体机器人技术、组织工程和可穿戴电子等领域具有重要意义。
“例如，软体机器人技术需要既柔韧又坚固的材料；组织工程材料需要模拟人体肌肉复杂多变的运动；可穿戴电子设备则需高耐久性和弹性兼备。这项研究为科学家们提供了一个新框架，用以设计针对不同应用场景的智能材料。”
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