《自然》:「超級果凍」材料汽車碾壓后完全恢復,80%是水

英國劍橋大學研究人員開發了一種柔軟而堅固的新材料,外觀和感覺就像軟軟的果凍,但其可承受相當於大象站在上面的重量,在壓縮時就像一塊超硬、防碎的玻璃。其還可完全恢復到原來的形狀,即使其80%的成分是水。

無論是軟的還是硬的、脆的還是強的,材料的行為方式取決於其分子結構。有彈性的橡膠狀水凝膠具有許多有趣的特性,如韌性和自愈能力,使其成為研究的熱門主題,但製造能夠承壓而不破碎的水凝膠是一個挑戰。

該新材料的非水部分是聚合物網路,通過控制材料機械性能的可逆開/關相互作用保持在一起。這是第一次將如此顯著的抗壓性融入軟材料中。研究人員稱,玻璃狀水凝膠的成功研製,開啟了高性能軟材料領域的新篇章。

該研究的第一作者、劍橋大學化學系黃澤歡(音譯)博士說,為了製造具有所需機械性能的材料,研究人員使用了可逆交聯劑。

研究團隊使用稱為葫蘆脲的桶狀分子來製造可以承受壓縮的水凝膠。葫蘆脲就是一種交聯分子,它將兩個客體分子固定在其空腔中,就像一個分子「手銬」。研究人員設計的客體分子在空腔內停留的時間比正常情況長,這使聚合物網路保持緊密連接,使其能夠承受壓縮。

研究人員表示,在80%的水含量下,一般認為它會像水氣球一樣破裂,但事實並非如此,它仍保持完整並承受巨大的壓力。研究還發現,簡單地改變「手銬」內客體分子的化學結構,就可輕鬆控制抗壓強度。

為了製造類似玻璃的水凝膠,研究團隊為「手銬」選擇了特定的客體分子。改變「手銬」內客體分子的分子結構使材料的動力學顯著「減慢」,最終水凝膠的機械性能從橡膠狀變至玻璃狀。

「超級果凍」具有廣泛的潛在應用,包括柔性機器人、生物電子學,甚至作為用於生物醫學的軟骨替代品。在演示中,這種「超級果凍」材料可在汽車碾壓後也倖存下來。研究人員還製作了一個水凝膠壓力感測器,用於實時監測人體運動,包括站立、行走和跳躍。

目前,研究人員正在與工程和材料科學家合作,進一步開發這些材料以用於生物醫學和生物電子學。相關研究成果公佈在《自然·材料》上。

總編輯圈點

80%都是水是什麼概念?可以類比一下,我們人類的大腦差不多75%到80%都是水,其餘一點成分才是脂肪和蛋白質,而大腦之脆弱,在堅硬顱骨的保護下依然「受不得丁點傷害」。本文中80%都是水的果凍材料,其主要功力在於結構中的「分子手銬」,在汽車反覆強壓下,它即便看上去還是個果凍,但分子動力學其實和玻璃已經別無二致了。換句話說,它的問世讓人們擁有了一個柔軟的甚至可能觸感「咕嘰咕嘰」的、卻表現異常堅硬的高性能材料。

(原標題「超級果凍」材料可在汽車碾壓後倖存下來)

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