生命體內DNA分子鏈超螺旋構象的折疊/展開過程是控制其超高密度生物信息存儲與轉錄的基本構象行為。將這類納米尺度的動態構象行為擴展至宏觀材料體系或可實現某些特殊性能與功能，但目前鮮有相關探索性的工作報道。為此，四川大學高分子科學與工程學院微粘控團隊（負責人為王宇研究員）提出了一種受DNA啟發的材料進化新策略，即通過程控加捻調制的預拉伸聚烯烴薄膜的自屈曲“內卷”行為，成功設計和制備出了一種多功能的超螺旋構象纖維（supercoiled conformational fibers, SCFs）。這種仿DNA的超螺旋構象纖維不僅具有獨特的多尺度微觀扭曲結構演化機制，同時還展現出多種聚烯烴以前不具備的重要性能，比如，具有宏觀超大彈性變形能力（900 ± 50%）、接近金屬水平的力學強度（330 ± 30 MPa）、超高扭轉能量儲存密度（16.1 ± 0.6 kJ·kg-1）、在適當刺激下的扭曲能量釋放能力，以及通過材料構象展開來實現能量耗散與緩沖軟著陸等功能。上述工作最近發表在Advanced Materials上，碩士研究生趙咨宇為本文的第一作者，傅雪薇副研究員、楊偉教授和王宇研究員為共同通訊作者。該工作得到了南開大學劉遵峰教授的指導和幫助。
圖1. 模仿DNA“內卷”的超螺旋構象纖維（SCFs）的制備策略及微觀結構。
DNA分子鏈產生超螺旋構象結構的根本原因是因為它具有很高的分子內應力和內粘附力，相似的，本工作基于預拉伸聚烯烴保鮮膜的受控加捻操作引入了極高的材料內應力，并借助內應力誘導的自曲屈服內卷行為成功實現了宏觀材料的多級超螺旋與構象折疊行為調控。SCFs加工制備的關鍵在于受控加捻，它指的是在加捻的同時控制兩末端的軸向約束力并以一定速度相互靠近。受控加捻過程中加捻速度與末端靠近速度的控制對于SCFs的成功制備至關重要。它決定了加捻過程中纖維軸向內應力的變化情況，而軸向內應力的大小又決定了纖維是否滿足自屈曲準則，進而影響超螺旋的具體形態和種類。作者們通過流變儀程序化設定了4種不同的加捻模式，對應不同的軸向內應力變化情況。最終發現，加捻過程中始終存在內應力的模式（緩慢同步模式、階梯模式）更有利于成功制備SCFs。具體見圖1。
圖2. SCFs表現出超大應變的彈性拉伸行為，即超級類熵彈行為。
SCF陣列的超級類熵彈行為演示
SCFs一個最明顯的特征是其宏觀形態與力學行為都與微觀聚合物分子鏈的卷曲構象和熵彈行為十分相似（這也是其被稱作超螺旋構象纖維的根本原因）。作者通過Langvein方程擬合，證明了SCF拉伸與分子鏈熵彈拉伸行為的相似性，所以將SCF的這種拉伸-回彈特性稱為類熵彈行為，并進一步研究了SCFs拉伸過程中拉伸力與溫度的標度關系，揭示了其拉伸力學行為的物理本質是分子鏈熵彈性與晶體普彈性的協同作用。SCFs可以通過類熵彈行為使一些本征不具有彈性的材料（如LDPE）獲得明顯的宏觀彈性（即實現了材料性能“進化”），它可以被看作除化學交聯彈性體、物理交聯彈性體之外的一種新型彈性體。這種SCF彈性體具有高模量、大彈性區間、高損耗等特點，見圖2。
圖3. SCFs無外約束下的構象自穩定機制、扭曲儲能（UTES）以及受激釋能等特性。
SCFs的磁力受激釋能
研究還發現，SCFs具有獨特的構象自穩定機制，其關鍵在于線團末端的力學平衡。通過特定刺激（重力、磁力、溫度等）可以破壞其構象自穩定狀態，從而釋放儲存在其內部的能量。SCFs這種自穩定與受激釋能特性使其成為一種理想的無需外力約束的扭曲儲能材料。作者通過先進動態流變儀，成功測量了SCFs解捻過程中的扭矩、轉速等輸出信號，并由此計算出了SCFs的能量密度與儲能效率。發現SCFs的扭曲儲能密度與效率在現有扭曲儲能材料中都處于比較優秀的水平，特別的，LDPE-SCF的扭曲儲能密度在所測的多種高分子扭曲儲能材料中處于最高水平，高達16 kJ/kg。詳情請見圖3。
圖4. LDPE-SCF可能經歷的多尺度凝聚態結構微觀扭曲演化和自增強行為。
作者進一步通過研究LDPE膜在受控加捻過程中的聚集態結構演化情況，提出了一種可能的多級扭曲結構模型來解釋LDPE-SCF超高扭曲儲能密度的物理機制。該機制認為，LDPE-SCF的超高扭曲儲能密度很大一部分來源于其晶區扭曲產生的普彈性儲能，而非分子鏈尺度的熵彈性儲能。同時還發現了解捻后的LDPE-SCF強度遠高于初始的LDPE膜，說明在受控加捻過程中經歷了復雜的材料自增強過程，比如晶區的完善、非晶區系帶分子數量密度的增加等。這一點通過其結晶聚集態結構的演變可以得到解釋。這說明受控加捻過程本身可以作為一種材料自增強的手段來理解，見圖4。
圖5. SCFs的緩沖吸能特性及其在軟著陸等大規模工程應用中的潛力演示。
SCFs的緩沖作用（左）與普通纖維（右）的對比
研究還發現SCFs在纖維構象展開的過程中，具有極強的能量吸收能力。為此，作者還對SCFs的緩沖能力進行了表征，通過重物下落實驗和重物沖擊實驗均證明了其優異的構象展開吸能特性。受此啟發，進一步探索了其可能的工程實際應用。比如，設計高性能SCFs用于航空航天返回艙的降落緩沖、高樓斷電情形下的緊急逃生系統等，并借助重物下落撞擊雞蛋（類比生命）的演示實驗證明了其在緊急情況下高樓逃生、重物軟著陸等場景中的實際應用潛力，見圖5。
文獻詳情：
Z. Zhao,J. Yang, W. Cai, G. Wen, Z. Zhu, Z. Liu, X. Fu, Z. Cao, Z. Liu, W. Yang, Y. Wang, Materials Evolution by Programmed Twisting: a DNA-Inspired Ultrastrong Supercoiled Conformational Fiber for Energy-Storage and Buffering. Adv. Mater. 2025, 2503330.
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202503330
