软材料在自然界和工程应用中无处不在，但它们普遍存在一个致命的弱点——机械不稳定性。 无论是橡胶薄片、气球、介电弹性体驱动器，还是血管壁，在受到压缩或双轴拉伸时，一旦超过临界载荷，就会发生突然的“突跳”变形。这种不稳定性会导致材料空化、过早电击穿甚至组织破裂。问题的根源在于传统聚合物网络的固有力学特性：网络链段只有接近完全伸展时才会开始变硬，这种“迟滞的硬化”使得不稳定性在材料产生足够抵抗力之前就已失控生长。聚合物物理学中的标度律揭示了一个根本性矛盾——网络模量与链段长度成反比，而硬化发生的拉伸比与链段长度平方根成正比。这意味着，足够柔软以实现大变形的网络，其硬化发生得太晚而无法阻止失稳；而能够早期硬化的网络又过于刚脆而无法应用。

针对这一长期存在的挑战，浙江大学罗英武教授、念国栋研究员、Chen Zheqi博士研究团队开发了一种名为“有序纳米塑料-弹性体网络”（OPEN）的新型材料架构，成功解决了柔软性与稳定性之间的矛盾。 该设计将少量刚性塑料纳米域有序地排列在软弹性体基体中，并用共价键将两者牢固连接。这种结构产生了一个关键效应——应变放大：宏观拉伸在软基体中被极大放大，从而在不损害小应变柔软性的前提下，提前触发了应变硬化。理论和实验均证明，仅引入5%体积分数的塑料纳米域，即可消除介电弹性体驱动器中的突跳不稳定性，大幅提升其驱动性能。相关论文以“Ordered nanoplastic-elastomer networks resolve conflict between softness and stability”为题，发表在Nature Communications上。

图1. 有序纳米塑料-弹性体网络放大局部应变。 (a) 在有序纳米塑料-弹性体网络中，刚性塑料纳米域有序地排列在软弹性体基体中；域与基体通过密集的共价键连接。(b) 变形时，塑料纳米域不变形，密集的共价键传递应力。这种结构产生了一个关键的应变放大效应：宏观应变在软基体中被极大放大。 

研究团队通过理论建模首先预测了OPEN避免失稳的能力。考虑一个由两个刚性纳米域夹持一层弹性体基体的重复单元，由于塑料纳米域几乎不变形，共价键有效传递应力。对于给定的刚性域体积分数φ，不可变形部分沿一维的尺度约为φ^1/3，因此基体经历的微观拉伸λ_m与宏观拉伸λ之间满足关系：λ_m = 1 + (λ - 1)/(1 - φ^1/3)。有限元模拟结果显示，对于φ=0.05的OPEN，应变被显著放大（图2c、2d）。在单轴拉伸和压缩条件下，OPEN在保持小应变柔软性的同时，在中到大应变范围内显著增强了应变硬化（图2e、2f）。基于这一应力-拉伸关系，研究团队进一步证明，OPEN可以有效防止介电弹性体驱动器（DEA）和气动驱动器中的突跳失稳。对于DEA，常规聚合物网络（φ=0）的无量纲电场-面积膨胀曲线呈现非单调特征，意味着器件会发生突跳失稳；而OPEN（φ=0.05）的曲线变为单调，表明失稳被抑制（图2h）。类似地，在气球充气模型中，OPEN同样消除了压力-膨胀曲线中的突跳行为（图2j）。该效应的有效性不依赖于软基体的具体拉伸行为，且刚性域尺寸应在约10纳米至1微米范围内。

图2. 理论预测。 (a) 有序纳米塑料-弹性体网络在单轴变形下的重复单元。(b) 含5 vol.%塑料纳米域的OPEN单胞。(c) 单轴拉伸过程中微观拉伸比作为宏观拉伸比的函数。(d) OPEN在单轴拉伸下的有限元模拟结果。(e) 单轴拉伸和(f) 单轴压缩下由模拟得到的应力-拉伸曲线。(g) DEA在未变形状态下的厚度为H。静电应力将DEA压缩至厚度h。(h) 归一化电场作为面积膨胀的函数。(i) 充气压力下的气球。(j) 归一化压力作为面积膨胀的函数。 

为实现这一设计，研究团队开发了一种基于核壳乳胶粒子胶体组装的全新制备方法。采用可逆加成-断裂链转移（RAFT）活性自由基乳液聚合，以两亲性双嵌段低聚物作为RAFT试剂和表面活性剂。首先加入软基体单体丙烯酸-2-乙基己酯（EHA）和含光交联基团的官能单体4-丙烯酰氧基二苯甲酮（ABP），在70°C下聚合得到P(EHA-co-ABP)软乳胶粒子（图3b）。随后加入苯乙烯（St），在每条链的RAFT端继续聚合生长出聚苯乙烯（PSt）链段，最终形成以玻璃态PSt为核、软P(EHA-co-ABP)为壳的核壳结构粒子，核与壳通过共价键连接（图3c）。将乳胶干燥后，毛细力使软壳变形，粒子烧结成连续膜，再经紫外光照射一小时，光交联基团产生自由基，软链段交联形成网络（图3d）。所制备的膜呈半透明浅蓝色，这是由于有序塑料纳米域的光散射产生的结构色。原子力显微镜图像显示塑料纳米域呈有序分布（图3g），SAXS分析表明相邻核的中心距约为105纳米，硬域直径约60纳米。

图3. 有序纳米塑料-弹性体网络的制备。 (a) 两亲性双嵌段低聚物RAFT试剂作为表面活性剂在水中形成胶束。(b) 向RAFT试剂的水分散液中加入EHA和ABP，由热引发剂引发聚合。反应得到P(EHA-co-ABP)软乳胶。(c) 向乳胶分散液中加入St，得到由玻璃态PSt核和软P(EHA-co-ABP)壳组成的核壳乳胶。核与壳共价连接。(d) 乳胶干燥后暴露于紫外光下。光交联基团将软链段交联成网络。所得材料为OPEN膜。(e) 核壳乳胶照片。(f) 膜的照片。图3e和f中的比例尺代表10 mm。(g) 横截面的原子力显微镜图像。比例尺为500 nm。(h) SAXS图谱。图3e-h对应含15 vol.% PSt的材料。 

力学测试揭示了OPEN独特的应力-应变行为。对于φ=0、0.05、0.10和0.15四种材料，随着φ增大，硬化行为在更小的拉伸比下发生，实验数据与有限元模拟结果高度吻合（图4a）。将宏观拉伸按应变放大关系换算为微观拉伸后，所有曲线重叠在一起，证实应变放大效应确实改变了拉伸行为并提前触发了硬化（图4b）。OPEN的模量随刚性域体积分数增加而温和上升：纯软基体模量约为240 kPa，φ=0.05的OPEN模量约为280 kPa，表明少量刚性域即可增强应变硬化同时基本保持柔软性。循环加载下OPEN呈现小滞后，且随循环次数增加进一步减小，1000次循环后力学响应稳定。

在介电驱动性能方面，OPEN与常规网络的表现形成鲜明对比。常规网络最大面积膨胀仅约1.3倍，在标称电场约30 V/μm（真实电场约40 V/μm）时击穿（图4c）。而φ=0.05的OPEN最大面积膨胀达到约2.1倍，击穿标称电场约45 V/μm（真实电场约100 V/μm），驱动能量密度提升了一个数量级（图4e）。常规网络的失效模式是“电机械突跳失稳”——临界电压触发膜厚减薄与真实电场增加的正反馈循环，导致击穿发生在远低于材料电击穿强度的电场下。OPEN则成功避免了这种失稳，实现了大而稳定的面积膨胀，直至达到材料的真实电击穿强度。对于不同φ的OPEN，最大面积膨胀与φ呈λ_a,max~ φ^-0.30的标度关系，接近理论预测的φ^-1/3。

图4. 有序纳米塑料-弹性体网络避免了电机械突跳失稳。 (a) 不同塑料纳米域体积分数φ的OPEN在单轴拉伸下的宏观应力-拉伸曲线。(b) 使用公式1转换图4a中的曲线得到的微观应力-拉伸曲线。(c) 常规聚合物网络和(d) φ=0.05的OPEN的面积膨胀作为标称电场的函数。在图4c和d中，每种形状的点代表一次独立的实验。每种网络进行三次独立实验。照片中的比例尺为1 mm。(e) 两种网络的最大面积膨胀、击穿场强和最大能量密度。图e中带误差棒的数据以平均值±标准差（n=3个重复）表示。(f) OPEN的最大面积膨胀作为塑料纳米域体积分数的函数。 

研究团队通过对比实验进一步验证了OPEN的两大设计原则。有限元模拟表明，强界面黏结使刚性域作为不可变形夹杂物有效传递应力并放大应变（图5a），而弱界面黏结则导致脱黏和空化（图5b），无法产生应变放大和应变硬化（图5c、5d）。作为对照，研究团队制备了随机纳米塑料-弹性体网络（RPEN），其中刚性塑料纳米域随机分布在软基体中，且仅依靠弱非共价相互作用黏附。实验表明，RPEN的模量（约550 kPa）远高于OPEN（约280 kPa），这是由于随机堆积导致刚性域可能形成紧密接触。加载至两倍原长后卸载，RPEN呈现约22%的显著滞后，而OPEN的滞后可忽略（图5f）。在电压驱动下，RPEN的面积膨胀仅约1.4倍，约为OPEN的一半（图5h）。这些结果充分证明，有序分布和强共价界面键合是OPEN实现优异性能的关键。

图5. OPEN设计原则的验证。 在有限元模拟中，将(a)强界面黏结材料和(b)弱界面黏结材料拉伸至原长的3.5倍。(c) 微观拉伸比作为宏观拉伸比的函数。取相邻刚性纳米域之间中点处的局部拉伸比为代表性的微观拉伸比。(d) 由有限元模拟得到的应力-拉伸曲线。(e) 随机纳米塑料-弹性体网络和有序纳米塑料-弹性体网络的设计示意图。(f) 将两种材料加载至两倍原长后卸载。(g) OPEN中的强键合阻止橡胶链从刚性域上脱附，而RPEN中的弱键合无法阻止脱附。(h) RPEN与OPEN的性能对比。图h中带误差棒的数据以平均值±标准差（n=3个重复）表示。

该研究提出的OPEN架构提供了一种模块化设计策略——在不改变软基体化学组成的前提下，通过引入少量刚性域实现应变硬化增强，同时保持弹性和柔软性。这一机理不同于传统的颗粒增强弹性体（后者通常呈现应变软化而非应变硬化），也不同于分子刷弹性体（后者通过改变链拓扑结构实现应变硬化）。两种策略可互为补充。研究人员指出，尽管“应变放大效应”可追溯至20世纪60年代的复合材料理论，但这是首次将该效应系统应用于功能性软器件设计。OPEN的潜在应用不限于软体驱动器，还可用于需要柔软性以填充间隙、同时需要应变硬化以承受流体压力的软密封件，以及模仿皮肤等生物组织非线性力学行为的仿生材料。未来，通过将纳米域排列成非球形几何结构引入各向异性，有望进一步增强定向应变放大和应变硬化行为。