英國(guó)劍橋大學(xué)研究者研發(fā)了一種新材料：它的外觀和質(zhì)感像果凍一樣柔軟；但是，在壓縮時(shí)就像一塊超硬的防碎玻璃，非常堅(jiān)固。

如果有大象那么重的東西放在上面，它也能在之后恢復(fù)到原來(lái)的形狀。

實(shí)際上，這種材料80%的成分是水。而其非水部分是一個(gè)聚合物網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)可逆的開(kāi)關(guān)相互作用連接在一起，控制材料的機(jī)械性能。這是首次將如此顯著的抗壓性融入軟材料中。

這種新材料具有廣泛的潛在應(yīng)用，諸如軟機(jī)器人、生物電子學(xué)，甚至生物醫(yī)學(xué)用途的軟骨替代品等。

相關(guān)論文于當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月24日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然-材料》，標(biāo)題為“Highly compressible glass-like supramolecular polymer networks”（高度可壓縮類玻璃超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)）。

一種材料的性質(zhì)——軟還是硬、脆還是韌性強(qiáng)，都取決于它們的分子結(jié)構(gòu)。

具有彈性的橡膠狀水凝膠——超分子聚合物網(wǎng)絡(luò) (Supramolecular polymer networks ，簡(jiǎn)稱SPNs)性能獨(dú)特，如高韌性、非常強(qiáng)的拉伸性、快速自愈、增強(qiáng)的阻尼能力。

“超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)是一大類通過(guò)非共價(jià)相互作用交聯(lián)的聚合物材料。與傳統(tǒng)的、脆弱的共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相比，其通常具有卓越的機(jī)械性能，引起了超分子聚合物化學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究人員的極大興趣。”領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的劍橋大學(xué)教授Oren A. Scherman對(duì)澎湃新聞（www.6773257.com）記者表示。

雖然關(guān)于超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展，但尚未滿足某些苛刻應(yīng)用的材料要求。一個(gè)主要挑戰(zhàn)是能承受極高的壓縮，并能在短時(shí)間自修復(fù)。

“自 2010 年以來(lái)，我們一直在使用葫蘆脲介導(dǎo)的主客體相互作用作為非共價(jià)交聯(lián)來(lái)設(shè)計(jì)和制造具有可調(diào)粘彈性、高拉伸性和韌性以及室溫自修復(fù)的橡膠狀 SPN。”Scherman表示。

“葫蘆脲”是一種交聯(lián)分子，它將兩個(gè)客體分子固定在其空腔中——就像一個(gè)分子手銬（molecular handcuff）。研究人員設(shè)計(jì)的客體分子更喜歡在空腔內(nèi)停留比正常時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)間，這使聚合物網(wǎng)絡(luò)保持緊密連接，使其能夠承受壓縮。

論文作者之一Jade McCune 博士表示，“水凝膠能夠承受壓縮的方式令人驚訝，它與我們?cè)谒z中看到的任何東西都不一樣……我們還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變手銬內(nèi)客體分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以很容易控制抗壓強(qiáng)度。”

為了制造類似玻璃的水凝膠，該研究團(tuán)隊(duì)為“手銬”選擇了特定的客體分子。改變手銬內(nèi)客體分子的分子結(jié)構(gòu)使材料的動(dòng)力學(xué)顯著“減慢”，最終水凝膠的機(jī)械性能從橡膠狀到玻璃狀。

Scherman表示，人們花了數(shù)年時(shí)間制造類似橡膠的水凝膠，但只實(shí)現(xiàn)了超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)的整體圖景的一半。而他們這些研究創(chuàng)造了一類新材料，涵蓋了從類橡膠到類玻璃的整個(gè)材料特性范圍，完成了整個(gè)圖景。

據(jù)介紹，這種新材料具有高達(dá) 100 MPa 的超高抗壓強(qiáng)度，并能在極短的時(shí)間內(nèi)快速自我恢復(fù)（<120 秒）。即使以 93% 的應(yīng)變壓縮、進(jìn)行12次的壓縮/松弛循環(huán)時(shí)也不會(huì)斷裂。

為了強(qiáng)調(diào)這種材料的可壓縮性，研究人員準(zhǔn)備了一個(gè)體積為70×50×6（毫米）的材料樣品用于汽車壓縮測(cè)試。樣品放置在兩塊銅板之間，以避免任何滑動(dòng)或表面污染，總重量為1200公斤的四輪汽車在樣品頂部保持1分鐘。隨后，汽車反復(fù)壓實(shí)樣品16次，由于該材料能完全自我恢復(fù)，沒(méi)有觀察到斷裂或不可逆變形。

使用1200kg的四輪汽車對(duì)70(L)×50(W)×6(T)mm長(zhǎng)方體樣品進(jìn)行縮測(cè)試的照片

研究人員使用這種材料制作了一個(gè)水凝膠壓力傳感器，其工作壓力范圍高達(dá)2.5MPa。該傳感器表現(xiàn)出相當(dāng)大的靈敏度。將該傳感器結(jié)合在人腳底下，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)行走、跳躍、站立三種運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

“據(jù)我們所知，這是第一次制造玻璃狀水凝膠。我們不僅在教科書中寫了一些新的東西，這真的很令人興奮，而且我們正在開(kāi)啟高性能軟材料領(lǐng)域的新篇章。”論文第一作者Zehuan Huang表示。

目前，Scherman的實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在與工程和材料科學(xué)專家合作，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這些玻璃狀材料，用于生物醫(yī)學(xué)和生物電子應(yīng)用。

Scherman表示，“這種新型材料在包括軟骨置換、電子皮膚、假肢手臂/腿、可穿戴設(shè)備以及軟機(jī)器人在內(nèi)的廣泛應(yīng)用中具有重要意義。”