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Strong and crack-tolerant elastomers via geometrically confined H-bonding semicarbazides

材料科学 弹性体 韧性 极限抗拉强度 复合材料 模数 纳米技术 压力(语言学) 断裂韧性 热塑性弹性体 摩擦电效应 变形(气象学) 链条(单位) 工作(物理) 聚合物 超分子化学 纳米压痕 纳米发生器 延伸率
作者
Rujuan Li,Shuyao Pan,Zhiming Liu,Shengli Chen,Pingchuan Sun,Fenfen Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-77193-w
摘要

The development of high-performance elastomers that are simultaneously strong, crack-tolerant, and wear-resistant remains a persistent challenge. Herein, we design bio-inspired semicarbazide chain extender featuring high-density hydrogen-bonding sites to synthesize poly(urethane-urea) (PUU). The use of two such extenders creates geometric confinement that promotes ordered H-bonding arrays, which synergistically enhances the mechanical performance. The resulting PUU-HI elastomer exhibits a nanoscale-ordered phase-separated structure and maximized H-bonding, achieving a tensile strength of 120.2 MPa, toughness of 400.5 MJ m−3 and true fracture stress of 1.3 GPa, even surpassing spider silk. The architecture additionally delivers high crack tolerance, fatigue resistance, and high wear resistance, making it ideal for stable, long-term used triboelectric nanogenerator interfaces. Solid-state NMR reveals the geometric-confinement-induced ordered and high-density H-bonding structure in hard domain for efficient energy dissipation. By designing tailored H-bonding motifs and amplifying supramolecular interactions via geometric confinement, this work offers a promising strategy for developing mechanically robust and durable elastomers. The development of high-performance elastomers that are strong, crack-tolerant, and wear-resistant remains a challenge. Here the authors design a poly(urethane-urea) system based on geometrically confined semicarbazide chain extenders, which enhance the mechanical performance of the material.
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