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Materials
C&EN 中文版
弹性水凝胶像肌肉一样有愈合力
由交织聚合物制成的材料在受力后变得更强
by Bethany Halford
February 4, 2019
| A version of this story appeared in
Volume 97, Issue 5
Credit: 图片来源：C&EN/改编自Science
当仿生肌肉的水凝胶被拉伸时，拉紧的聚合物（蓝色）破裂，形成自由基，松弛的聚合物（粉红色）伸展，以防止对水凝胶的损害。自由基与聚合物中的单体（橙色）反应形成新的聚合物链，从而增强水凝胶。
当我们运动时，应力会破坏肌肉中的纤维。我们的身体通过稳定的氨基酸供应来修复这些纤维，编织成蛋白质，最终使肌肉变得更强壮。科学家们已经开发出了一种仿生肌肉的水凝胶，可以在受力时加强自身形态。他们表示，这项研究可以应用于更耐用的轮胎，或由柔性塑料制成的软机器人，可以自我修复甚至生长。
Credit: 图片来源：北海道大学
这种仿生肌肉的水凝胶每次拉伸都会变得更强壮。
这种弹性水凝胶材料由北海道大学的Jian Ping Gong和 Tasuku Nakajima 领导的团队开发，利用了聚合物机械化学（机械力引发化学反应）的原理。柔软而坚韧的水凝胶由85％的水和两种交织的交联聚合物网组成。由聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸）钠盐制成的聚合物网是拉紧的，另一个由聚丙烯酰胺制成的网络是松弛的。
当被拉伸时，松弛聚合物伸展，防止水凝胶撕裂，而拉紧的聚合物破裂，在聚合物链的断裂端形成碳自由基。这些自由基迅速与散布在材料中的单体产生反应，重建聚合物网，这样当水凝胶回到松弛状态时，会比原来更强壮。研究人员显示，材料每次拉伸后可以提升更重的重量，因此证明了这一点。（Science 2019年 DOI: 10.1126/science.aau9533）。
创造一种含有足够自由基的分子结构而使水凝胶性质产生整体改变，这是技术上的壮举，代表着“智能响应聚合物领域的重大进步”，埃因霍温科技大学的智能材料专家 Rint P. Sijbesma 说道。他表示，这项研究与之前开发类似材料的失败尝试形成鲜明对比，因为之前使用的聚合物结构没有产生足够的自由基，因此没有明显增强材料强度。
Nakajima指出，即便如此，该系统还有很大的改进空间。比如，研究人员需要找到一种方法来持续为系统提供单体。在目前的系统中，单体在五或六次拉伸后耗尽，而水凝胶变得僵硬易碎。该系统对氧气也很敏感，这是自由基聚合的常见问题。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的聚合物机械化学专家Jeffrey S. Moore说：“从概念上讲，这项进步是鼓舞人心的。虽然化学家们很习惯在烧瓶的受控环境中进行化学实验，这项研究促使我们思考非受控环境中化学的挑战，需要能在严苛条件下运作。”
本文由Nina Sun为C&EN译为中文。英文原文在此。
Chemical & Engineering News
ISSN 0009-2347
Copyright © 2024 American Chemical Society
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