高可拉伸性弹性体软材料在柔性电子、软体机器人和生物医疗装置等领域具有重要应用前景，且与水凝胶相比，因为不含液体成分而更为稳定。然而，传统弹性体由线形高分子交联形成，其可拉伸性受高分子链间缠结的限制，难以进一步提高。近日，王九令博士 (现北京理工大学副教授) 与美国南卡罗来纳大学葛挺 (Ting Ge) 教授合作，提出了基于环形高分子的高可拉伸性弹性体软材料的设计方法，并揭示了其高可拉伸性的微观机理。研究结果表明，环形高分子由于缺乏有效缠结且构象紧凑，由其交联形成的弹性体具有更高的可拉伸性和更低的剪切模量。研究工作为发展高可拉伸性软材料提供了理论指导。
图1 环形和线形高分子弹性体拉伸时应力-应变行为，λ为拉伸比。
图2 环形和线形高分子弹性体的 (a) 剪切模量和 (b, c) 缠结状态。
为交联点间平均长度。
，
为交联点间平均长度，Ne为缠结点间平均长度。作者的研究结果与经典理论一致，有
；且当
(即系统交联密度趋近于0时)，由于线形高分子间缠结网络的存在，弹性体的模量G为有限值。对于环形高分子，也有
；而当
时，其模量趋近于0，这表明环形高分子间缺少有效缠结，其模量仅由交联密度决定。同时，环形高分子的模量明显小于线形高分子，这意味着采用环形高分子可以使弹性体的模量降低一个量级，从而接近于人体皮肤和组织的模量。作者也通过高分子的原始路径分析 (PPA) 可视化了环形和线形高分子的缠结状态 (如图2b, c所示)，明显可以看到环形高分子的缠结密度远小于线形高分子。
的2/3次方成正比。以上结果表明，环形高分子是设计高可拉伸性弹性体的理想材料。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.237801
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