在自然界中，生物體通過精妙的軟硬組分一體化協同實現“剛柔相濟”與功能衍生，然而在合成材料中實現類似的結構一體化仍極具挑戰。材料和性能集成的傳統思路是做“加法”，將不同材料“拼”在一起，其界面往往是薄弱環節。是否可以像自然界一樣，使力學性能不同的材料“生”在一起？
浙江大學羅英武教授團隊提出了一種實現多材料一體化的策略：利用單一共聚物，通過對微相分離過程進行圖案化編程，控制其內部納米結構的變化，在同一塊材料上成功制備出從“類塑料”到“類橡膠”的不同性能區域。
2025年12月12日，相關成果以題為“Multimaterials by Patterning Microphase Separation of a Single Copolymer”發表于Advanced Materials。碩士生戚淙棋、博士生劉博涵為論文共同第一作者，陳哲琪博士、羅英武教授為論文通訊作者。
該策略的基礎是設計一種具有亞穩態納米結構的聚合物，然后通過空間光控交聯程度，控制聚合物在退火過程中的微相分離過程，從而實現材料力學性能的編程。
具體而言，作者設計了一種基于聚合物膠體的模型體系。使用熱引發的活性自由基乳液聚合制備了一種嵌段共聚物的核殼膠乳：其中，帶有潛伏光交聯基團(二苯甲酮)的橡膠態鏈段構成軟殼，而玻璃態鏈段組成硬核，硬核體積占比約50% (圖1a)。
圖1. 編程微相分離使單種共聚物實現多材料一體化
膠乳干燥成膜后，軟外殼融合形成連續基質，硬內核則均勻排列其中，形成“海島狀”的納米結構 (圖1b)。關鍵在于，這種“海島結構”處于熱力學亞穩態——理論上，等體積比的嵌段共聚物平衡態應為層狀結構。玻璃態的硬核在室溫下凍結了相分離過程，為后續光編程微相分離提供了窗口。
通過紫外光圖案化照射，實現了空間選擇性的交聯調控：照射區域的二苯甲酮基團被激發，通過奪氫反應在橡膠鏈間形成共價交聯網絡 (圖1c)，未照射區域則保持未交聯狀態 (圖1d)。
在退火過程中，未交聯區域的硬相被活化、聚并，從“海島結構”演化為“雙連續結構”(圖1e)；已交聯區域的交聯網絡錨定原始結構，鎖定海島形貌 (圖1f)。雖然兩個區域化學成分一樣，但力學行為截然不同：“雙連續區”硬度高，拉伸時會先屈服再塑性變形，像拉一根結實的塑料條；“海島區”柔軟且彈性極佳，能大幅度拉伸并迅速回彈，像拉一根韌性的橡皮筋。兩者都表現出高斷裂韌性 (>10 kJ/m2)，遠超其單一組分。這種強韌結合歸因于剛柔兩相的協同增韌機制。并通過共享的聚合物網絡拓撲結構無縫集成，從而消除不同性能材料間的薄弱界面，實現高界面韌性(>10 kJ/m2)。
進一步地，可以用光當作畫筆，在一種材料上畫出不同相分離結構的圖案。作為演示，利用灰度掩膜進行光照，成功將《蒙娜麗莎》的圖案“編程”到材料中。由于散射光與相分離結構密切相關，材料區域的軟硬差異通過圖像明暗細得以呈現 。
圖2. 光控相分離實現多材料的精細編程
這種可圖案化、剛柔一體的材料，展示出廣闊應用前景。例如，在可拉伸電路設計中，脆性的電子元器件可以放置在材料的“剛性島嶼”上，而整體拉伸時，周圍的柔性材料產生變形，而剛性島嶼不變形，這種應變隔離效應可以有效保護脆性器件。
總結而言，這項研究使用單一聚合物的聚集態結構作為調控維度，為設計和制造剛柔并濟的功能材料提供了廣闊平臺。
全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202517801
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