丝线缠绕是一种非常古老的材料加工策略，即便是科技发达的今天，我们依然喜欢借助这一简单方式将不可拉伸或者非弹性功能材料甚至器件缠绕到弹性体芯材上，从而获得本体不可拉伸材料的高度可拉伸或弹性特性。然而，时至今日，这一古老智慧背后的科学认识仍旧模糊。众所周知，高分子材料的机械性能从根本上依赖其化学结构与分子链的构象行为。这在聚合物链分子构象水平上已经得到充分认识，但在宏观材料水平上，构象的意义和价值还远未得到充分的认识。例如，螺旋结构材料的柔韧性、可拉伸性或者弹性通常被理解为变形，而非构象变化行为；但DNA分子双螺旋结构的变形行为却被习惯性地理解为分子链构象变化行为。这种对微观构象和宏观变形行为的习惯性分离思考，使得我们无法建立它们之间可能存在的共性联系。

图1.跨尺度构象行为以及具有构象耦合特征的螺旋构象复合材料设计

基于上述思考，我院王宇、傅雪薇、杨伟团队在“驭变幻之象，塑功用之貌”指导思想下，重新思考了缠绕加工背后的科学，并基于缠绕加工提出螺旋构象复合材料（Helix-FiberComposite, HFC）的概念（图1）。这种HFC本质是由宏观尺度的螺旋构象和微观尺度的分子链构象机械耦合而成。这种HFC可通过精准调控螺旋数和机械耦合强度从而调控其力学性能，并发现了其特殊的假弹性行为（Pseudo-elasticbehavior）。作者对HFC的构象耦合机理进行了分析，并且进一步通过有限元数学模拟研究了HFC的耦合效应（图2）。

图2.HFC的构象耦合的模拟论证分析

基于HFC构象耦合行为的理解，作者还探索了其在特殊功能材料设计和制备领域的应用。首先，基于螺旋构象耦合，实现了将不可拉伸材料或器件转化为可拉伸的复合材料，同时设计了一种具有可灵活调控激活应变的应变传感器（图3）。

图3.基于HFC的应变传感器设计

最后，作者还探索了HFC用作弹性模具的可能，以实现复杂结构的复制和移植。其加工原理是基于弹性体芯的构象拉伸变细现象，以及螺旋纤维与高分子基底的机械粘附力作用，实现缠绕纤维构象与弹性体构象解耦合，最终复制和移植所需的螺旋结构（图4）。这将为特殊结构的设计和结构移植智造打开全新思路。

图4.基于HFC构象解耦合的结构移植智造技术

综上所述，作者通过对构象行为的跨尺度理解，尝试将微观分子链构象与宏观材料结构变形进行统一，并揭示了缠绕智慧背后的构象本质，为机械性能可编程材料、可拉伸或者弹性导体和器件、特种传感以及结构移植智造等多个领域发展提供新视角新思路。上述论文近期发表在Nature旗下新出材料类高水平开源期刊CommunicationsMaterials上。上述论文也得到了南开大学刘遵峰教授的指导和帮助。

论文详细信息：Li, D., Zhu, Z., Zhao, Z. et al. Fabrication of helix–fiber composites with mechanically coupled core-wrapping for programmable properties. Comm.Mater 4, 28 (2023).

文章链接：https://doi.org/10.1038/s43246-023-00355-6。

撰稿：王宇

编辑：杨燕玲

审核：刘向阳