拓扑双网络结构有机-无机纳米复合有机凝胶的力学与介电性能协同增强机制

传统人工纳米复合材料因简单共混导致有机-无机相界面不相容和团聚问题，严重制约性能提升。受生物矿化组织启发，中国科学院团队创新性地设计出由聚氧金属酸盐亚纳米线（Ca-POM SNWs）与聚丙烯酸叔丁酯（PtBA）拓扑交织的双网络（DN）有机凝胶。该材料通过亚纳米级连续无机网络与有机基质的互穿结构，同步实现拉伸强度（提升3倍）、刚度（模量达20.52 MPa）和介电击穿强度（优化至45 kV/mm）的协同增强，为柔性电子和功能结构材料提供了新型多功能平台。

　　

自然界中牙齿和骨骼等生物矿化组织的卓越性能，源于其精妙的有机-无机纳米级互穿网络结构。然而，传统人工复合材料却长期受困于无机填料分散不均、界面结合弱等瓶颈问题——简单共混的二氧化硅或碳纳米管易团聚，导致应力传递效率低下，力学和功能性能难以协同优化。这种"结构-功能失配"现象严重制约了柔性电子、智能防护等领域的材料发展。

针对这一挑战，中国科学院团队在《Supramolecular Materials》发表的研究中，创新性地模仿生物矿化原理，设计出具有双网络（DN）拓扑结构的有机-无机复合有机凝胶。研究人员通过将钙离子桥联的磷钨酸盐亚纳米线（Ca-POM SNWs）与聚丙烯酸叔丁酯（PtBA）进行分子级互穿编织，构建出首个同时实现力学增强与介电性能可调的仿生材料体系。

研究采用紫外光引发聚合制备SNW/PtBA复合材料，通过小角X射线散射（SAXS）解析网络拓扑结构，结合动态力学分析（DMA）和宽带介电谱（BDS）分别表征力学与介电性能。关键突破在于利用直径仅0.9 nm的Ca-POM SNWs自组装形成连续无机网络，其尺寸与聚合物链相当，实现了真正的纳米级互穿而非传统填料分散。

【3.1 双网络有机凝胶的设计与形成】
透射电镜显示Ca-POM SNWs通过[PW₁₂
O₄₀
]^3-
簇与Ca²⁺
配位形成柔性网络，间距4.1 nm的网状结构与PtBA形成物理缠结。这种"软硬交替"的DN结构使材料兼具高强度和能量耗散能力。

【3.2 SNW/PtBA的结构特征】
SAXS证实SNWs含量调控网络间距（3.34-3.62 nm），差示扫描量热（DSC）显示玻璃化转变温度（T_g
）随SNWs增加从-20.56°C升至20.52°C，表明无机网络有效限制聚合物链段运动。流变测试中储能模量（G'）最高提升10倍，证实网络交联密度增强。

【3.3 拉伸性能调控】
在0.8 g SNWs负载时达到最优平衡：拉伸强度1.2 MPa（比纯PtBA高300%），断裂能15 MJ/m³
。Reduced stress分析揭示应变硬化-软化转变，Gent模型拟合表明SNWs网络同时贡献弹性（G_e
）和粘弹性（G_v
）增强，G_v
/G_e

1时实现韧性飞跃。

【3.4 介电性能调控】
介电常数（ε'）在1.0 g SNWs时出现峰值（1000 Hz下ε'=8.5），介电损耗（tanδ）在低频区升高而高频区降低。击穿场强（E_b
）在0.4 g SNWs时达45 kV/mm，归因于SNWs网络形成的界面极化势垒。

这项研究开创性地证明：通过精确控制无机亚纳米网络的拓扑结构，可同步实现力学增强与功能调控。其意义不仅在于开发出性能超越传统复合材料的新型DN有机凝胶，更建立了"结构-性能"定量关系模型，为设计下一代智能材料提供了范式。特别是将通常互斥的机械强度与介电性能协同提升，在柔性储能器件、人工肌肉等领域展现出广阔前景。未来通过调控SNWs的金属簇类型（如将W替换为Mo或V），有望进一步拓展材料的多功能性。