科技日報記者 張佳欣

傳統(tǒng)材料學(xué)認(rèn)為，聚合物材料越硬，可拉伸性就越差。美國弗吉尼亞大學(xué)研究人員開發(fā)了一種新型聚合物設(shè)計方法，可能會顛覆這一延續(xù)近200年的傳統(tǒng)觀念。相關(guān)成果以封面論文的形式發(fā)表在27日《科學(xué)進(jìn)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(rèn)為無法解決的難題。當(dāng)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(xué)交聯(lián)。交聯(lián)過程中形成聚合物網(wǎng)絡(luò)，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(rèn)為，如果想要讓聚合物網(wǎng)絡(luò)材料變硬，就必須犧牲其部分可拉伸性。

然而，弗吉尼亞大學(xué)研究人員用其研發(fā)的新型可折疊瓶刷狀聚合物網(wǎng)絡(luò)證明事實并非如此。

剛度和拉伸性是相互關(guān)聯(lián)的，因為它們源于相同的構(gòu)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(luò)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(quán)衡問題。更多的交聯(lián)雖然可讓聚合物網(wǎng)絡(luò)更硬，但變形自由度卻變得更低，拉伸時很容易斷裂。

新設(shè)計的可折疊結(jié)構(gòu)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(gòu)，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(fēng)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(luò)鏈的分子設(shè)計，而非交聯(lián)。

這種可折疊瓶刷狀聚合物網(wǎng)絡(luò)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(shè)計，可展現(xiàn)出復(fù)雜的電學(xué)、磁學(xué)或光學(xué)性質(zhì)。例如，可以向其中添加導(dǎo)電納米粒子，這對可拉伸和可穿戴電子設(shè)備至關(guān)重要。