在全球范围内，减少污染和摆脱对石油基塑料依赖的呼声日益高涨，开发可持续材料已成为当务之急。生物质来源的聚合物因其低碳足迹和可回收性而备受关注，然而，现有材料在紫外线、湿热或电场等环境因素作用下容易老化，导致性能下降，且缺乏有效的寿命终结解决方案，这为其可持续性带来了严峻挑战。

近日，四川大学王玉忠院士、付腾研究员、李兴亮助理研究员报道了一种全新的、完全源自生物质（木质素和大豆）的聚酯材料，它不仅能有效抵抗老化，更能像生物体一样“越用越强”。这种材料模仿生物系统的自我增强机制，利用芳香族π共轭亚乙烯基结构介导的[2+2]环加成反应，在紫外线、湿热和外部电场作用下实现性能提升。其拉伸强度、断裂伸长率和抗紫外线效率分别可达103 MPa、560%和73%，远超市面上已知的生物基材料与工程塑料。此外，该材料还具备优异的绝缘性、阻隔性、阻燃性、耐溶剂性和可回收性，为可持续绿色新能源材料的发展提供了新的可能。相关论文以“Biomimetic self-reinforcing recyclable biomass-derived inherently-safe sustainable materials”为题，发表在Nature Communications。

这项研究的灵感源于人体对抗衰老的自我调节机制。研究人员设计了一种生物质可持续聚酯材料（PAOM），其核心创新在于引入了一种来源于大豆异黄酮的单体（DDF–OH），该单体含有的芳香π共轭亚乙烯基结构能够在特定使用条件下触发[2+2]环加成反应，形成物理和化学交联网络。这模仿了生物组织中损伤与重建的过程，从而使材料性能得到增强。

图1 | 仿生策略示意图。 用于自增强可回收生物质来源材料的仿生策略示意图。 

通过对材料结构的深入表征，研究人员证实了DDF–OH单元之间存在的π-π堆叠相互作用，这种作用减少了材料的自由体积，形成了物理交联网络，增强了链段间的摩擦和分子动态体积，使分子堆积更为紧密。一系列测试，包括低场核磁共振、熔体流变学、动态热机械分析和分子动力学模拟，均支持了这一结论，表明随着DDF–OH含量的增加，材料内部结构愈发致密。

图2 | PAOM的结构表征。 A PAOM的X射线衍射图谱。 B, C PAOM的低场核磁共振曲线和横向弛豫时间分布曲线，图中阴影区域表示参数随掺入量增加的变化趋势。 D–G PAOM的储能模量、损耗模量、复数粘度和零剪切粘度随频率变化的曲线，图中阴影区域表示参数随掺入量增加的变化趋势。 H 聚合物的储能模量随温度变化的曲线。 I PAOM的正电子湮没寿命分析。 J–L 分子动力学模拟揭示了材料内部的π-π堆叠、自由体积分数和分子链模型。 

这种独特的结构赋予了PAOM材料卓越的多功能性。研究表明，PAOM兼具良好的结晶性、耐热性、机械强度、阻隔性能、耐溶剂性和阻燃性。其气体阻隔性能（对CO₂、O₂和H₂O）优于许多生物基和工程塑料，并且在不同有机溶剂中浸泡七天后仍能保持形状和重量。同时，其热释放速率和总热释放量显著降低，显示出优异的阻燃特性。

图3 | PAOM的机械性能、阻隔性能、耐溶剂性和阻燃性。 A–C PAOM的应力-应变曲线、拉伸强度和断裂伸长率。柱状图代表三次独立实验的平均值，误差棒为基于三次独立实验的标准差。 D–G PAOM的CO₂、O₂和H₂O阻隔性能随组分的变化，以及PAOM-4与其他材料气体阻隔性能的综合比较。 H PAOM-4薄膜的耐溶剂性。 I–K PAOM的热释放速率、峰值热释放率和总热释放量。 

除了上述性能，PAOM在绝缘特性方面也表现出巨大潜力。理论计算和空间电荷测试表明，DDF–OH的引入在材料内部形成了电子陷阱，限制了电荷迁移和积累，从而显著提高了材料的表面电阻率和击穿强度。这使得PAOM非常适用于可持续绿色电力系统。

图4 | PAOM的绝缘性能。 A 绝缘机制示意图。 B 不同结构单元的分子轨道能级。 C, D 空间电荷测试中极化15分钟后PAOM内部的电场强度分布和最大电场强度。 E 极化30分钟后PAOM表面的电荷密度。 F 去极化30分钟后PAOM内部的电荷密度。 G, H PAOM的表面电阻率和击穿场强。 

PAOM的可持续性贯穿其整个生命周期。它不仅源自可再生的生物质资源，更能在使用过程中实现自我增强。尤为突出的是，PAOM具备闭环回收能力。使用后的PAOM可通过低温化学解聚过程完全回收为原始单体，这些单体既可以重新聚合成性能与原始材料相当的新一代聚酯，也可以升级再造为高性能的生物基聚氨酯粘合剂，其粘接强度可与传统的石油基强力粘合剂相媲美。

图5 | PAOM的自增强行为。 A PAOM的自增强机制示意图。 B 通过密度泛函理论计算得到的DDF和光交联体系的优化分子几何结构及HOMO-LUMO能级。 C UV照射前后PAOM薄膜的紫外透射率（厚度：0.3 mm）。 D PAOM在紫外灯下的抗紫外线测试。 E, F 原始和UV照射后薄膜在400 nm处的屏蔽效率和750 nm处的透射率。 G, H 原始和UV照射后PAOM薄膜的拉伸强度和断裂伸长率。柱状图代表三次独立实验的平均值，误差棒为基于三次独立实验的标准差。 I, J PAOM薄膜及其在经过湿热老化和电场处理后的拉伸强度。柱状图代表三次独立实验的平均值，误差棒为基于三次独立实验的标准差。 

图6 | PAOM的化学回收。 A PAOM回收过程示意图。 B PAOM-4在H₂O/BDO/NaOH体系中解聚得到的回收单体rDDF-OH、rBDO、rFDCA和rDMFD的实物照片。 C–F 回收实验中得到的FDCA/rFDCA和DMFD/rDMFD在DMSO-d6中的核磁共振氢谱和液相色谱分析。 G rDDF-OH在DMSO-d6中的核磁共振氢谱。 H, I PAOM-4和rPAOM-4的应力-应变曲线、拉伸强度和断裂伸长率。柱状图代表三次独立实验的平均值，误差棒为基于三次独立实验的标准差。 J up-PU的合成过程及其作为粘合剂的应用示意图。 K up-PU的傅里叶变换红外光谱。 L up-PU在铝板和聚酰胺板上的粘合强度。柱状图代表三次独立实验的平均值，误差棒为基于三次独立实验的标准差。

总而言之，这项研究通过模仿生物系统的自我增强机制，成功开发出一种性能优异、可持续且可循环再生的生物基聚酯材料。该材料在紫外线、湿热和电场环境下展现出卓越的耐久性和自我增强能力，同时实现了从回收到升级再造的闭环循环。这一突破为设计下一代可持续材料开辟了广阔的前景，有望推动材料科学向更加环保和可持续的方向快速发展。