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剑桥大学发现水含量达80%的超级“果冻”材料

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红眼兔 2021-11-26 14:28 抢发第一评

据外媒报道,剑桥大学(University of Cambridge)开发出一种柔软且坚固的材料,其外形和触感酷似果冻。该材料含水量高达80%,但被压缩时会像一块超硬且防碎的玻璃,甚至可以承受一只大象的重量。

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该材料的非含水部分是一个聚合物网络,通过可逆的开/关相互作用连接在一起,以控制材料的机械性能。这是首次将高抗压性融入软材料中。该“超级果冻”材料应用十分广泛,如软体机器人、生物电子学,甚至可作为生物医学的软骨替代品。

 

材料的软硬、易碎和结实主要取决于分子结构。有弹性的橡胶状水凝胶引起众多有趣特性,如韧性灰色自愈能力,一直是研究的热门主体。但制造出可承受压缩但不碎的水凝胶非常具有挑战。

 

该研究的第一作者Yusuf Hamied化学系的Zehuan Huang博士表示:“为了制造出具有我们想要的机械性能的材料,我们使用交联剂,其两个分子通过化学键连接。通过使用可逆交联剂,我们制造出柔软且有弹性的水凝胶,但制造出坚硬且可压缩的水凝胶很难,而且设计具有这些特性的材料与设想完全相悖。”

 

此项试验的带领人为Oren Scherman教授,且此次试验也是在其实验室中完成。研究团队使用称为葫芦脲的桶状分子来制造可以承受压缩的水凝胶。葫芦脲是一种交联分子,会将两个客体分子固定在其空腔中,看起来就像一个分子手铐。研究人员设计的客体分子在空腔内停留时间比普通分子长,因此使得聚合物网络保持紧密连接,使其能够承受压缩。

 

剑桥大学梅尔维尔高分子合成实验室(Melville Laboratory for Polymer Synthesis)主任Scherman表示:“理论上讲,若含水量达80%,材料可能会像水气球一样破裂,但事实并非如此,该材料保持完整并可承受巨大的压力。水凝胶的特性似乎相互矛盾。”

 

为了制造类似玻璃的水凝胶,该团队为该手铐(桶状分子)采用特定的客体分子。 通过改变手铐内客体分子的分子结构,材料的动力学显著“减慢”,最终水凝胶的机械性能从橡胶状转变为玻璃状。

 

Scherman称:“人们花了数年时间打造类似橡胶的水凝胶,但也只是初见成效。而我们此次通过重新审视传统聚合物物理学,打造出全新材料,可涵盖从类橡胶到类玻璃的整个材料特性范围,实现了最初的愿景。”

 

研究人员使用这种材料制作出一个水凝胶压力传感器,可实时监测人体运动,包括站立、行走和跳跃。Scherman实验室的研究人员目前正在与工程和材料科学专家合作,进一步开发这些玻璃状材料,用于生物医学和生物电子应用。

 

 

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