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滑环（Slide-Ring, SR）材料凭借其独特的“滑轮效应”——交联点（大环）可在聚合物轴上自由滑动——在韧性和抗疲劳性方面展现出传统共价交联网络难以企及的优势。然而，常规滑环材料中大环的滑动是被动且无调控的，缺乏对能量耗散进行时空编程的能力。

图1. (a) DP大环与TED减速带的化学结构；(b) 张力作用下“arrest-and-release”机制示意图：大环被推向TED单元，触发逆Diels-Alder反应，耗散能量并允许大环继续滑动。

受分子机器中“站点”调控大环穿梭行为的启发，西北大学高玲燕和郑波团队将力敏“减速带”引入滑环网络，实现了大环滑动的主动门控与能量耗散的程序化调控。该工作设计了一种基于柱[5]芳烃二聚体（DP）的机械互锁聚氨酯网络，其中DP大环充当滑动交联剂，而沿主链分布的Diels-Alder加成物（TED）则扮演力致“减速带”的角色（图1）。拉伸时，滑动的大环与TED碰撞，触发逆Diels-Alder反应，瞬时阻滞大环滑动并耗散机械能；TED被消耗后，大环得以继续滑动。这种力触发的顺序“阻滞-释放”循环，为能量耗散提供了时空控制。与不含DP的对照组相比，该材料实现了罕见的综合力学性能跃升：杨氏模量提升9.9倍（从3.46 MPa增至34.2 MPa），拉伸强度提升6.0倍（从3.28 MPa增至19.8 MPa），断裂伸长率提升2.9倍（从155%增至449%），韧性提升16.6倍（从3.74 MJ m^-3增至62.0 MJ m^-3）。

图2. (a) 应力-应变曲线；(b) 对应的杨氏模量与韧性；(c) PU-DP-TED-a与各对照组的雷达图对比；(d) “先交联后封端”策略（策略a）与(e) “先封端后交联”策略（策略b）的示意图；(f) 应力-应变曲线；(g) 对应的杨氏模量与韧性；(h) 溶胀比与凝胶分数。

除了宏观性能的提升，该工作还通过系统的对照实验和多种表征手段深入揭示了这一增强效果的来源（图2）。应力-应变曲线及相应的模量与韧性对比表明，DP与TED的协同作用是力学性能跃升的关键；雷达图更直观地呈现了PU-DP-TED-a在多项指标上相对于各对照组的全面优势。在制备策略上，作者对比了“先交联后封端”与“先封端后交联”两种路线，结果表明前者更有利于保留大环的长程滑动空间，从而实现更优的力学性能。溶胀比与凝胶分数测试则进一步印证，TED的位阻效应与DP的交联协同作用，使网络结构更加完整和稳固。

在机制层面，循环拉伸实验显示该材料在首次加载时表现出显著的滞后回环，随后逐渐减弱，表明TED“减速带”在循环过程中被逐步消耗。¹H NMR分析从拉伸后的样品中检测到了逆Diels-Alder产物N-苯基马来酰亚胺的特征信号，从分子层面直接证实了力致TED共价键断裂的耗能途径。经过多次循环拉伸后，材料的模量与强度趋近于不含TED的对照样品，进一步说明其能量耗散源于“减速带”的消耗，而非可逆的物理摩擦。

图3. (a) PU-DP-TED-a在穿刺测试中的照片；(b) PU-MP-FDI-a、PU-DP-FDI-a、PU-MP-TED-a和PU-DP-TED-a的穿刺力-位移曲线；(c) (b)中各薄膜的穿刺力与穿刺能量；(d) PU-DP-TED-a与对照组的抗冲击性能值；(e) PU-DP-TED-a与对照组的冲击力曲线；(f) PU-DP-TED-a相对于各对照组的冲击力衰减率；(g)(h) PU-DP-TED-a与对照组的防护测试照片。

得益于上述能量耗散机制，PU-DP-TED-a薄膜在抗穿刺和抗冲击防护方面展现出优异性能（图3）。穿刺测试表明，该材料的最大穿刺力达34.1 N，穿刺能量为172 mJ，显著优于各对照组。在落球冲击测试中，1.0 mm厚的薄膜可将16 g、32 g和50 g钢球从80 cm高处落下的峰值冲击力分别降低57%、52%和51.3%，冲击强度达2372 J/m，防护效果明显优于PDMS和PBS等材料。实际防护演示中，覆盖有PU-DP-TED-a薄膜的气球和玻璃片在受到穿刺或冲击时均保持完好，直观展示了该材料在日常防护场景中的应用潜力。

该工作将分子机器中“站点调控穿梭”的概念成功拓展至宏观滑环材料，建立了主动、力编程的能量耗散新范式，为具有分级增韧、损伤报告或力致释放功能的智能机械互锁聚合物提供了模块化平台。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由德国化学会（German Chemical Society, GDCh）出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。