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Materials

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 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 5

 

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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。

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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。

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