近日，国家纳米科学中心联合北京理工大学，在聚合物弹性体微观力学机制研究方面取得重要进展。研究团队针对未缠结聚合物弹性体建立了统一理论框架，定量关联了弹性体宏观力学性能与单分子链力学行为及微观聚合物链构象，并通过分子动力学模拟验证了理论预测。相关成果以“General Theoretical Framework Linking Macroscopic Stress to Microscopic Strand Conformations in Unentangled Elastomers”为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters, 2026, 137, 098103）。

    聚合物弹性体（譬如橡胶）是一类由聚合物链通过共价交联形成的三维网络材料，具有可承受大变形和显著非线性力学响应等特点，被广泛应用于航空轮胎、水下航行器声学覆盖层、密封件和柔性电子器件等领域。建立聚合物弹性体宏观力学性能与微观网络结构及分子链构象之间的定量关系，对于深入理解弹性体力学行为、发展高性能弹性体材料以及实现材料性能的理性设计具有重要意义。

    经典聚合物弹性体本构理论能够描述材料的宏观应力–应变行为，但缺乏宏观力学响应与微观网络链构象之间的定量联系。针对这一难题，研究团队以未缠结弹性体为研究对象，从单分子链力学行为出发，建立了宏观力学性能与网络中聚合物链构象统计之间的统一理论关系，并给出了四种典型加载条件下（即单轴压缩、等双轴拉伸、纯剪切和简单剪切）宏观应力与微观链构象之间的确定关系。研究团队进一步利用分子动力学模拟对该理论进行了系统验证，并明确了其适用范围。

图1 (a) 聚合物弹性体等双轴拉伸加载模式示意图; (b) 单分子链力-位移关系; (c) 等双轴拉伸加载模式下，弹性体宏观应力（实线）及理论预测（虚线）与应变的关系; (d) 宏观应力与理论预测值的比较，呈现高度一致性。

    该研究构建了微观聚合物链与宏观弹性体力学响应之间定量关系的桥梁，为进一步理解弹性体的大变形、损伤和断裂行为提供了理论基础，也为高性能弹性体材料的设计与性能调控提供了理论依据。

    国家纳米科学中心王九令研究员与施兴华研究员为论文通讯作者，北京理工大学李家旗博士生为论文第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中国科学院项目的支持。

    论文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/l3pj-kq32