英國研究者發(fā)明汽車碾不壞的“超級果凍”，可用于軟骨替代

澎湃新聞記者劉航

2021-11-26 14:58

來源：澎湃新聞

? 科學(xué)湃 >

英國劍橋大學(xué)研究者研發(fā)了一種新材料：它的外觀和質(zhì)感像果凍一樣柔軟；但是，在壓縮時就像一塊超硬的防碎玻璃，非常堅固。

如果有大象那么重的東西放在上面，它也能在之后恢復(fù)到原來的形狀。

實際上，這種材料80%的成分是水。而其非水部分是一個聚合物網(wǎng)絡(luò)，通過可逆的開關(guān)相互作用連接在一起，控制材料的機械性能。這是首次將如此顯著的抗壓性融入軟材料中。

這種新材料具有廣泛的潛在應(yīng)用，諸如軟機器人、生物電子學(xué)，甚至生物醫(yī)學(xué)用途的軟骨替代品等。

相關(guān)論文于當?shù)貢r間11月24日發(fā)表在國際知名期刊《自然-材料》，標題為“Highly compressible glass-like supramolecular polymer networks”（高度可壓縮類玻璃超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)）。

一種材料的性質(zhì)——軟還是硬、脆還是韌性強，都取決于它們的分子結(jié)構(gòu)。

具有彈性的橡膠狀水凝膠——超分子聚合物網(wǎng)絡(luò) (Supramolecular polymer networks ，簡稱SPNs)性能獨特，如高韌性、非常強的拉伸性、快速自愈、增強的阻尼能力。

“超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)是一大類通過非共價相互作用交聯(lián)的聚合物材料。與傳統(tǒng)的、脆弱的共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相比，其通常具有卓越的機械性能，引起了超分子聚合物化學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究人員的極大興趣。”領(lǐng)導(dǎo)此項研究的劍橋大學(xué)教授Oren A. Scherman對澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）記者表示。

雖然關(guān)于超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)取得了可喜的進展，但尚未滿足某些苛刻應(yīng)用的材料要求。一個主要挑戰(zhàn)是能承受極高的壓縮，并能在短時間自修復(fù)。

“自 2010 年以來，我們一直在使用葫蘆脲介導(dǎo)的主客體相互作用作為非共價交聯(lián)來設(shè)計和制造具有可調(diào)粘彈性、高拉伸性和韌性以及室溫自修復(fù)的橡膠狀 SPN?！盨cherman表示。

“葫蘆脲”是一種交聯(lián)分子，它將兩個客體分子固定在其空腔中——就像一個分子手銬（molecular handcuff）。研究人員設(shè)計的客體分子更喜歡在空腔內(nèi)停留比正常時間更長的時間，這使聚合物網(wǎng)絡(luò)保持緊密連接，使其能夠承受壓縮。

論文作者之一Jade McCune 博士表示，“水凝膠能夠承受壓縮的方式令人驚訝，它與我們在水凝膠中看到的任何東西都不一樣……我們還發(fā)現(xiàn)，通過簡單地改變手銬內(nèi)客體分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以很容易控制抗壓強度?！?/p>

為了制造類似玻璃的水凝膠，該研究團隊為“手銬”選擇了特定的客體分子。改變手銬內(nèi)客體分子的分子結(jié)構(gòu)使材料的動力學(xué)顯著“減慢”，最終水凝膠的機械性能從橡膠狀到玻璃狀。

Scherman表示，人們花了數(shù)年時間制造類似橡膠的水凝膠，但只實現(xiàn)了超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)的整體圖景的一半。而他們這些研究創(chuàng)造了一類新材料，涵蓋了從類橡膠到類玻璃的整個材料特性范圍，完成了整個圖景。

據(jù)介紹，這種新材料具有高達 100 MPa 的超高抗壓強度，并能在極短的時間內(nèi)快速自我恢復(fù)（<120 秒）。即使以 93% 的應(yīng)變壓縮、進行12次的壓縮/松弛循環(huán)時也不會斷裂。

為了強調(diào)這種材料的可壓縮性，研究人員準備了一個體積為70×50×6（毫米）的材料樣品用于汽車壓縮測試。樣品放置在兩塊銅板之間，以避免任何滑動或表面污染，總重量為1200公斤的四輪汽車在樣品頂部保持1分鐘。隨后，汽車反復(fù)壓實樣品16次，由于該材料能完全自我恢復(fù)，沒有觀察到斷裂或不可逆變形。