《Nature Communications》：Correlative molecular-to-mesoscale evolution in conjugated polymers for intrinsically stretchable organic photovoltaics
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为解决兼具机械鲁棒性与高性能的本征可拉伸有机光伏器件开发难题，研究人员综合运用X射线光谱与散射技术，揭示了共轭聚合物薄膜在单轴拉伸下的两阶段结构演化：初始阶段以聚合物链排列与晶畴快速破坏为特征；高应变阶段则伴随链取向与链内扭转。该关联性结构适应机制调控了应力耗散、光学吸收及光伏性能，为设计高强韧、高性能可拉伸电子器件提供了原理支撑。
柔性能源电子器件是下一代可穿戴设备、智能皮肤和生物集成系统的核心。其中，基于共轭聚合物的有机光伏(OPV)器件，以其优异的光电性能可调性和固有的机械柔性，被视为实现本征可拉伸光电功能的关键材料平台。然而，一个长期存在的矛盾限制了其实际应用：为了追求高效率，材料通常需要形成高度有序的刚性晶畴，这却往往以牺牲机械柔韧性和拉伸性为代价。如何打破“鱼与熊掌不可兼得”的僵局，在保证高光电转换效率的同时，实现器件在反复拉伸、弯折下的机械鲁棒性，是领域内亟待攻克的关键科学难题。解决这一难题的根本，在于深入理解这类软材料在受力时，其微观分子结构到介观聚集态结构究竟是如何协同演变的，以及这种演变如何最终决定宏观的电学、光学和力学性能。
为了回答这些悬而未决的问题，一支研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的系统性工作。他们并未止步于观察最终的器件性能变化，而是直击核心，运用一套先进的表征“组合拳”，首次清晰描绘了共轭聚合物薄膜在拉伸过程中从纳米到微米尺度的全景式结构演变图景，并成功将其与关键物理性能的变化关联起来，为理性设计高性能可拉伸电子材料提供了清晰的路线图。
研究人员主要运用了多种X射线技术作为核心研究方法。他们通过原位广角X射线散射(WAXS)和小角X射线散射(SAXS)实时监测薄膜在单轴拉伸下结晶结构与纳米尺度有序度的变化；利用近边X射线吸收精细结构(NEXAFS)光谱探测聚合物主链的取向演变；并结合偏振吸收光谱和力学性能测试，将多尺度结构信息与光吸收、应力-应变行为及最终光伏器件性能进行关联分析。
研究结果揭示了一个清晰而重要的两阶段结构演化过程，具体发现如下：
聚合物链排列与晶畴的初始响应
在拉伸的初始阶段（低至中等应变），材料表现出第一个特征响应。NEXAFS和偏振吸收光谱数据表明，聚合物主链开始沿着拉伸方向排列。与此同时，WAXS数据显示，表征分子有序堆积的π-π堆叠衍射峰强度迅速减弱，意味着材料内部相对脆弱的晶畴结构在应变下开始发生显著的破坏和解体。这一阶段，材料的应力主要通过晶畴的破坏和重组过程得以耗散。
高应变下的链取向与链内扭转
当应变进一步提高到更大范围时，结构演变进入第二阶段。此时，聚合物链的取向度继续增加，趋于饱和。然而，一个更微妙的变化被捕捉到：NEXAFS光谱中对应于聚合物主链上特定官能团的共振峰发生了能量偏移。这一现象被解释为在高拉伸作用下，聚合物单链内部发生了扭转或构象变化，可能涉及到芳香环之间的二面角调整。这种分子尺度的构象变化为材料在高应变下继续容纳变形提供了另一种微观机制。
结构-性能关联
更重要的是，研究将上述结构演变直接与材料的关键性能联系起来。他们发现，初始阶段晶畴的破坏与应力-应变曲线上的“屈服”行为相对应，是主要的能量耗散机制。而链的排列显著影响了薄膜的光学各向异性，即对偏振光的吸收能力发生变化。最终，将这些结构参数输入到器件性能模型中，可以很好地预测在不同拉伸状态下有机光伏器件的短路电流密度(Jsc)和填充因子(FF)的变化趋势，证实了从分子链排列、晶畴完整性到器件输出特性的因果链条。
在结论与讨论部分，本研究首次明确提出了共轭聚合物薄膜在拉伸下的“两阶段”多尺度结构演化模型：第一阶段以介观晶畴破坏和纳米级链排列为主导；第二阶段则以分子链内构象调整（扭转）来适应进一步变形。这项工作超越了以往孤立研究单一尺度结构的局限，建立了从分子取向、链内构象到晶畴形态，再到宏观力学、光学及光电性能的完整关联框架。其重要意义在于，它指出未来设计高性能本征可拉伸半导体聚合物，不应仅仅关注提升结晶度，更需要精细调控分子结构（如引入适度的柔性间隔单元或调控主链刚性）及其在介观尺度的组装方式，使材料在受力时能够通过可控的多级结构演化（如有序区域的破坏与重组、分子链的滑移与扭转）来耗散能量，从而在保持良好电荷传输能力（源于一定的初始有序性）的同时，获得优异的拉伸性和韧性。这项研究为“材料基因工程”在柔性电子领域的应用提供了一个经典范例，即通过透彻理解“结构-性能-工艺”之间的关系，来逆向指导新材料的设计与合成。
