科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣
傳統(tǒng)材料學(xué)認(rèn)為，聚合物材料越硬，可拉伸性就越差。美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型聚合物設(shè)計(jì)方法，可能會(huì)顛覆這一延續(xù)近200年的傳統(tǒng)觀念。相關(guān)成果以封面論文的形式發(fā)表在27日《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。
研究人員表示，他們正在解決一個(gè)自1839年硫化橡膠發(fā)明以來(lái)就被認(rèn)為無(wú)法解決的難題。當(dāng)時(shí)，美國(guó)發(fā)明家查爾斯·固特異意外發(fā)現(xiàn)，將天然橡膠與硫磺加熱后，橡膠分子鏈之間會(huì)形成化學(xué)交聯(lián)。交聯(lián)過(guò)程中形成聚合物網(wǎng)絡(luò)，使原本在高溫下會(huì)熔化和流動(dòng)的黏性橡膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟陀谩⒂袕椥缘牟牧?。從那時(shí)起，人們一直認(rèn)為，如果想要讓聚合物網(wǎng)絡(luò)材料變硬，就必須犧牲其部分可拉伸性。
然而，弗吉尼亞大學(xué)研究人員用其研發(fā)的新型可折疊瓶刷狀聚合物網(wǎng)絡(luò)證明事實(shí)并非如此。
剛度和拉伸性是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)樗鼈冊(cè)从谙嗤臉?gòu)成單元——通過(guò)交聯(lián)連接的聚合物鏈。傳統(tǒng)上，使聚合物網(wǎng)絡(luò)變硬的方法是增加交聯(lián)的數(shù)量。然而，這么做無(wú)法解決剛度與拉伸性之間的權(quán)衡問(wèn)題。更多的交聯(lián)雖然可讓聚合物網(wǎng)絡(luò)更硬，但變形自由度卻變得更低，拉伸時(shí)很容易斷裂。
新設(shè)計(jì)的可折疊結(jié)構(gòu)并非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性聚合物鏈，而是呈現(xiàn)出類(lèi)似瓶刷的結(jié)構(gòu)，其中有許多靈活的側(cè)鏈從中心主鏈上輻射而出。主鏈能像手風(fēng)琴一樣折疊和展開(kāi)，在材料被拉伸時(shí)，聚合物內(nèi)部的隱藏長(zhǎng)度會(huì)展開(kāi)，使其伸長(zhǎng)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)聚合物的40倍以上，且不會(huì)減弱其性能。此外，側(cè)鏈還決定了材料的剛度，從而實(shí)現(xiàn)了剛度和拉伸性的獨(dú)立控制。這種新方法側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)鏈的分子設(shè)計(jì)，而非交聯(lián)。
這種可折疊瓶刷狀聚合物網(wǎng)絡(luò)可3D打印，即使與無(wú)機(jī)納米粒子混合后，仍然能保持3D打印能力。這些無(wú)機(jī)納米粒子經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，可展現(xiàn)出復(fù)雜的電學(xué)、磁學(xué)或光學(xué)性質(zhì)。例如，可以向其中添加導(dǎo)電納米粒子，這對(duì)可拉伸和可穿戴電子設(shè)備至關(guān)重要。
