Popular science work
傳統(tǒng)材料學認為，聚合物材料越硬，可拉伸性就越差。美國弗吉尼亞大學研究人員開發(fā)了一種新型聚合物設計方法，可能會顛覆這一延續(xù)近200年的傳統(tǒng)觀念。相關成果以封面論文的形式發(fā)表在27日《科學進展》雜志上。
研究人員表示，他們正在解決一個自1839年硫化橡膠發(fā)明以來就被認為無法解決的難題。當時，美國發(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，橡膠分子鏈之間會形成化學交聯(lián)。交聯(lián)過程中形成聚合物網(wǎng)絡，使原本在高溫下會熔化和流動的黏性橡膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟陀?、有彈性的材料。從那時起，人們一直認為，如果想要讓聚合物網(wǎng)絡材料變硬，就必須犧牲其部分可拉伸性。
然而，弗吉尼亞大學研究人員用其研發(fā)的新型可折疊瓶刷狀聚合物網(wǎng)絡證明事實并非如此。
剛度和拉伸性是相互關聯(lián)的，因為它們源于相同的構成單元——通過交聯(lián)連接的聚合物鏈。傳統(tǒng)上，使聚合物網(wǎng)絡變硬的方法是增加交聯(lián)的數(shù)量。然而，這么做無法解決剛度與拉伸性之間的權衡問題。更多的交聯(lián)雖然可讓聚合物網(wǎng)絡更硬，但變形自由度卻變得更低，拉伸時很容易斷裂。
新設計的可折疊結(jié)構并非簡單的線性聚合物鏈，而是呈現(xiàn)出類似瓶刷的結(jié)構，其中有許多靈活的側(cè)鏈從中心主鏈上輻射而出。主鏈能像手風琴一樣折疊和展開，在材料被拉伸時，聚合物內(nèi)部的隱藏長度會展開，使其伸長量達到標準聚合物的40倍以上，且不會減弱其性能。此外，側(cè)鏈還決定了材料的剛度，從而實現(xiàn)了剛度和拉伸性的獨立控制。這種新方法側(cè)重于網(wǎng)絡鏈的分子設計，而非交聯(lián)。
這種可折疊瓶刷狀聚合物網(wǎng)絡可3D打印，即使與無機納米粒子混合后，仍然能保持3D打印能力。這些無機納米粒子經(jīng)過設計，可展現(xiàn)出復雜的電學、磁學或光學性質(zhì)。例如，可以向其中添加導電納米粒子，這對可拉伸和可穿戴電子設備至關重要。
