从一次性餐具到可降解手术线，高分子材料无处不在。但你知道吗，它们“消失”的方式可能完全不同。有的像珍珠项链那样从头开始断裂，一颗颗地脱落；而有的则像树枝一样从中间脆断，毫无规律。这些链断裂模态不仅影响着可降解材料的生命周期，还决定了微塑料是否残留、降解产物是否安全。几十年来，科学家们在好奇，究竟是什么决定了这根塑料链怎么断？

  近日，美国密歇根州立大学化工材料系刘心悦课题组在这一问题上取得一些进展。他们发现，高分子的溶解度决定了微观上的链是如何被打断的：可溶高分子更倾向于从链末端开始逐步降解，而不溶高分子则更容易在链中随机断裂。

  相关研究工作以“Revealing chain scission modes in variable polymer degradation kinetics”为题发表在Cell Press旗下的新创刊的杂志Newton上，并获日本东北大学李昊教授撰文点评。论文第一作者为美国密歇根州立大学化工与材料科学系博士生程义杰，通讯作者为密歇根州立大学化工材料系助理教授刘心悦。

数据+模型：系统揭示高分子链的断裂模态

  为了从全局尺度揭示高分子降解的普遍规律，团队对41种具有代表性的高分子材料进行了系统分析。研究团队从公开报道的文献中提取了这些材料在不同降解条件下的分子量-时间变化曲线，涵盖天然高分子、生物可降解塑料、工程高分子等多类材料，并转化为统一的标准格式，构建了高分子降解数据库（图一）。

图一：高分子降解数据的文献挖掘

  接着，团队采用基于动力学机理的McCoy–Madras链降解模型，将每条分子量-时间曲线拟合到链末端断裂与随机断裂两种模式，并计算拟合优度（R²值），从而判断材料主要的链断裂机制（图二）。这一过程避免了黑箱式经验模型，增强了链断裂机制识别的解释性和适用性。

图二. 不同高分子降解数据的模型拟合（蓝色：链末端断裂，红色：随机断裂）

  进一步，通过这种数据挖掘结合机制建模的方式，研究团队绘制出一幅跨材料体系的链断裂模式图谱（图三）。该图谱汇总了不同材料所对应两种断裂模态的拟合优度，R² (end)越大，代表更倾向于链末端断裂；R²(random) 越大，代表更倾向于随机断裂。

图三. 跨材料体系的链断裂模式图谱（左上角: 链末端断裂，右下角：随机断裂）

结构-性能关系：溶解性主导链断裂模态

  那么，是哪些因素决定了高分子链是“从头断”还是“随机断”？研究团队进一步统计分析了结晶度、初始分子量、不稳定键比例、催化剂尺寸和材料溶解性等多个结构特征，寻找与链断裂模式的相关性。结果表明，高分子的溶解性（solubility）是决定其断裂模态的首要因素。这个发现不再只是个别案例的经验总结，而是建立在41种材料的系统性数据挖掘与统计建模基础上，具有显著的普适性和定量支撑。

  研究者提出了一个物理图像模型来解释这一统计结论（图四）：可溶高分子在溶液中能够充分舒展，链末端易暴露在催化剂或水解酶环境中，因而更倾向于链末端逐步断裂；不溶高分子常以聚集或结晶形式存在，仅在固-液界面发生降解，催化位点分布随机，最终呈现随机断裂模式。换句话说，溶解性不仅决定了材料在介质中的分散状态，更深层次地影响了降解反应的可达性（accessibility）、选择性和速率。

图四. 可能的物理图像：可溶高分子能够在溶液中充分舒展，链末端暴露充分，表现为链末端断裂；不溶高分子则常以聚集态存在，仅在固-液界面发生降解，因此呈现出链随机断裂的特征。

  更具前瞻性的是，该研究提示，通过调控溶解性，可以改变同一类别聚合物的降解路径。他们通过数据的对比分析发现，通过调节共聚组成、选择溶剂体系、设计相分离结构等手段，可以调控高分子链的降解行为。

  总之，降解过程中的链断裂机制进一步影响了微塑料生成、老化寿命及其环境与生物相容性。理解这一机制可以为可持续材料、智能包装、生物医用材料等多个方向提供了全新设计思路。

  课题组致力于利用先进的制造技术、分子工程和生物整合策略来增强新型软材料的设计和开发。详情参见课题组主页：https://www.xinyueliu.net/ 欢迎有感兴趣的博士生申请者联系！

  原文链接：https://www.cell.com/newton/fulltext/S2950-6360(25)00160-4

  文献导读链接：https://www.cell.com/newton/fulltext/S2950-6360(25)00183-5