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可在汽车碾压后“幸存”!“超级果冻”来了

发布时间: 2021-11-25 点击数:

  英国剑桥大学研究人员开发了一种柔软而坚韧的新材料,外观和感觉就像软软的果冻,但这种材料可承受相当于大象站在上面的重量,在压缩时就像一块超硬、防碎的玻璃。这种材料在遭受碾压后还可完全恢复到其原来的形状,即使它80%的成分是水。相关研究成果公布在《自然材料》上。

  无论是软的还是硬的、脆的还是韧的,材料的行为方式取决于其分子结构。有弹性的橡胶状水凝胶具有许多有趣的特性,如韧性和自愈能力,这也使其成为研究的热门,但制造能够承受巨压而不破碎的水凝胶一直是一个挑战。

  该新材料的非水部分是聚合物网络,通过控制材料机械性能的可逆开/关相互作用保持在一起。这是第一次将如此显著的抗压性融入软材料中。研究人员称,玻璃状水凝胶的成功研制,开启了高性能软材料领域的新篇章。

  该研究的第一作者、剑桥大学化学系黄泽欢(音译)说,为了制造具有所需机械性能的材料,研究人员使用了可逆交联剂。

  研究团队使用称为葫芦脲的桶状分子来制造可以承受压力的水凝胶。葫芦脲就是一种交联分子,它将两个客体分子固定在其空腔中,就像一个分子“手铐”。研究人员设计的客体分子在空腔内停留的时间比正常情况长,这使聚合物网络保持紧密连接,使其能够承受压力。

  研究人员表示,在80%的水含量下,一般认为它会像水气球一样容易破裂,但事实并非如此,它仍保持完整并可承受巨大压力。研究还发现,简单地改变”手铐”内客体分子的化学结构,就可轻松控制抗压强度。

  为了制造类似玻璃的水凝胶,研究团队为“手铐”选择了特定的客体分子。改变“手铐”内客体分子的分子结构使材料的动力学过程显著“减慢”,最终水凝胶的机械性能从橡胶状变至玻璃状。

  “超级果冻”具有广泛的潜在应用,包括柔性机器人、生物电子学,甚至作为用于生物医学的软骨替代品。在团队进行的演示中,这种“超级果冻”材料可在汽车碾压后也“幸存”下来。研究人员还制作了一个水凝胶压力传感器,用于实时监测人体运动,包括站立、行走和跳跃。

  目前,研究人员正在与工程和材料科学家合作,进一步开发这些玻璃状材料,以用于生物医学和生物电子学。

  80%都是水是什么概念?可以类比一下,我们人类的大脑差不多75%到80%都是水,其余一点成分才是脂肪和蛋白质,而大脑之脆弱,在坚硬颅骨的保护下依然“受不得丁点伤害”。本文中80%都是水的果冻材料,其主要功力在于结构中的“分子手铐”,在汽车反复强压下,它即便看上去还是个果冻,但分子动力学其实和玻璃已经别无二致了。换句话说,它的问世让人们拥有了一个柔软的甚至可能触感“咕叽咕叽”的、却表现异常强硬的高性能材料。