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    浙大團(tuán)隊(duì)研發(fā)可“編程”材料 一束光把“塑料”變“橡膠”

    發(fā)布時(shí)間:2020-04-20 09:20:31   人瀏覽 來(lái)源: 橡膠技術(shù)網(wǎng)

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    浙江大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里,兩片塑料“彈簧”正在接受拉力測(cè)試。一片伸展到原來(lái)的1.5倍長(zhǎng)時(shí),崩斷了;另一片則穩(wěn)穩(wěn)伸到了2倍長(zhǎng)。它們用的是同一種材料,唯一不同的是,第二片塑料被光“點(diǎn)”過(guò) “穴”。

    浙大化學(xué)工程與生物工程學(xué)院教授謝濤團(tuán)隊(duì)最新設(shè)計(jì)出一種新型高分子材料,在光的調(diào)控下,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以變化出多種形式,對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)出迥然相異的宏觀性能。這意味著,人們可以對(duì)同一材料的不同區(qū)域進(jìn)行“編程”,一次制造集多種材料于一體的復(fù)雜產(chǎn)品。相關(guān)研究論文日前發(fā)表在國(guó)際著名期刊《科學(xué)進(jìn)展》。

    謝濤教授及其合作團(tuán)隊(duì)研究的是一類網(wǎng)絡(luò)型高分子,其分子結(jié)構(gòu)有點(diǎn)兒像枝蔓交錯(cuò)的葡萄園,有長(zhǎng)長(zhǎng)的主鏈,主鏈上有時(shí)還連著側(cè)鏈,就像掛著一串串分子“葡萄”。現(xiàn)在,科學(xué)家走進(jìn)了這片聚合物的“葡萄園”里,用一束光改變了“葡萄串”的結(jié)構(gòu):在主鏈網(wǎng)絡(luò)保持不變的情況下,增加側(cè)鏈的數(shù)量,而每一條側(cè)鏈的長(zhǎng)度變得更短。謝濤教授認(rèn)為這是一種拓?fù)洚悩?gòu),“就像用一堆同樣的樂(lè)高積木搭出不同的結(jié)構(gòu)”。

    當(dāng)大分子能夠像變形金剛一樣去改變自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),其性能也會(huì)隨之發(fā)生大幅度變化。在塑料“彈簧”的拉力試驗(yàn)開(kāi)始前,光線定向?qū)椈傻膸讉(gè)“關(guān)節(jié)”進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的“編程”,被“編程”過(guò)的地方變軟了,“彈簧”因此展現(xiàn)出更好的伸展性。

    這種可編程的高分子材料被稱為拓?fù)洚悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)高分子,對(duì)應(yīng)的英文為T(mén)opology IsomerizableNetwork(簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)IN)。不同的光照條件會(huì)觸發(fā)它成為不同的材料。“它像一種‘待定’的材料,你可以根據(jù)需要把它變成你想要的。”研究團(tuán)隊(duì)成員之一,趙騫副教授介紹,材料中含有一種光敏感的催化劑,在光的觸發(fā)以及熱的作用下,聚合物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。

    假如物質(zhì)可以編程,我們只需要準(zhǔn)備好 “源”材料,心里想要什么就能讓它成為什么。這樣的“天方夜譚”在電影《變形金剛4》中出現(xiàn)過(guò):史坦利·圖齊把手中一堆懸浮在空中的小方塊稱為“可編程物質(zhì)”,它們一會(huì)兒成為了一個(gè)音響,一會(huì)兒又變成了一把手槍……

    盡管夢(mèng)想還遙遠(yuǎn),但TIN已顯示出作為可編程物質(zhì)的潛力。在TIN的體系里,編程的語(yǔ)言是“光”,光操控高分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的拓?fù)錁?gòu)型。這樣,一種材料就具有了變成N種材料的可能性,或者,可以做出集多種材料于一身的混合體,從而實(shí)現(xiàn)各種新穎的結(jié)構(gòu)與功能。

    研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此做了初步嘗試,他們做了一根、塑料+橡膠的復(fù)合“繩”。在不同的溫度下,具有形狀記憶功能的塑料與形狀基本固定的橡膠,“扭”出了豐富多變的造型。這一嘗試提示人們,當(dāng)我們可以對(duì)材料的不同空間區(qū)域進(jìn)行“編程”時(shí),我們就能設(shè)計(jì)出各種各樣前所未有的功能材料。這將大大豐富設(shè)計(jì)師們的材料庫(kù),在很多新興領(lǐng)域如柔性電子、人工肌肉、智能穿戴等方面展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。



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