高分子材料作为现代工业的基石，在实际应用中长期面临“强度-韧性-加工性”三者难以兼顾的经典难题。在传统认知里，材料强度的提升往往伴随着韧性的降低，而力学性能的优化又常常以牺牲加工性为代价，这一矛盾极大限制了高分子材料的应用潜力。

图1. 高分子材料“强度-韧性-加工性”三难困境

  近日，吉林大学钱虎军教授团队在该领域取得突破性进展。该工作结合实验研究与分子动力学模拟，利用单链纳米粒子（Single-chain nanoparticles, SCNPs）在高分子基质中的单链拓扑构象效应，成功实现了高分子材料在强度、韧性与加工性能间的协同优化。相关研究成果以“Single-Chain Nanoparticles Break the Strength-Toughness-Processability Trilemma in Polymer Glasses”为题，发表于物理学权威期刊《Physical Review Letters》，并获编辑推荐（据悉该期刊仅有1/6文章获此推荐），同时被“Physics Focus”专题评述及《New Scientist》报道。

图2. Physical Review Letters编辑推荐信、“Physics Focus”专题评述及《New Scientist》报导

  Physics Focus专题评述链接：https://physics.aps.org/articles/v18/162

  NewScientist报导链接：https://www.newscientist.com/article/2497683-nanoparticles-may-be-the-secret-ingredient-in-making-ultimate-plastics/

  该策略采用“塑料增韧塑料”的创新思路，通过聚苯乙烯类SCNPs与高分子基质的简单物理共混（bPNC），同步提高了材料的强度（提高约20%）、韧性（提升约一倍）与加工性（黏度下降50%）。

图3. SCNPs对高分子复合材料的性能调控

  透射电子显微镜（TEM）、红外光谱（IR）及差示扫描量热仪（DSC）的多项测试结果均证实，SCNPs在高分子基质中呈现均匀分散状态，直接表明与传统“橡胶增韧塑料”通过构建双连续相的增韧策略不同。热力学分析进一步揭示，SCNPs的引入可提高材料的玻璃化转变温度。同时，结合动态热力学分析（DMA）与扫描电子显微镜（SEM）表征，直观地观察到bPNC表现出典型的韧性断裂特征，为其优异的力学性能提供了直接证据。

图4. bPNC的多维度实验表征

  分子动力学模拟进一步揭示了其内在机制：材料强度的提高源于高内聚能SCNPs对复合体系焓相互作用的调控。而韧性的大幅提升，则得益于SCNPs在拉伸过程中发生动态重组，诱导基质链沿拉伸垂直方向重新排列，从而有效延缓裂纹扩展。同时，该增韧策略展现出广泛的普适性，在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚甲基丙烯酸乙酯（PEMA）、聚苯乙烯（PS）与聚氯乙烯（PVC）等通用高分子材料中均能有效增韧。该研究不仅深化了高分子材料学科在复合体系方面的认知，更为未来高性能材料的设计与开发提供了新思路。

图5. SCNPs对高分子复合材料性能调控的机制研究

  吉林大学化学学院超分子结构与材料全国重点实验室张雷博士研究生与张旭泽博士为论文共同第一作者，吉林大学钱虎军教授与清华大学杨振忠教授为共同通讯作者。

  该项目得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金的资助。

  论文链接：https://doi.org/10.1103/nm5z-2hxm