新型聚合物打破了刚性和拉伸性之间的传统权衡

通过交联可折叠瓶刷聚合物形成的网络艺术效果图，这种聚合物的特点是在塌陷的骨架上接枝了许多柔性线性侧链。 资料来源：弗吉尼亚大学工程与应用科学学院蔡立恒、黄百强/软生物物质实验室

当时，查尔斯-古德伊尔（Charles Goodyear）意外地发现，用硫磺加热天然橡胶会在股状橡胶分子之间产生化学交联。 这种交联过程形成了聚合物网络，将在高温下熔化和流动的粘性橡胶转变为耐用的弹性材料。从那时起，人们就一直认为，如果想让聚合物网络材料变得坚硬，就必须牺牲一些伸展性。

现在，由博士生黄百强领导的蔡团队用他们的新型"可折叠瓶刷聚合物网络"推翻了这一观点。 他们的研究成果获得了美国国家科学基金会CAREER奖的资助，并刊登在11月27日出版的Science Advances杂志封面上。

"拉力测试"展示了传统聚合物网络在拉力作用下的分解速度。 资料来源：弗吉尼亚大学工程与应用科学学院蔡立恒、黄百强/软生物物质实验室解耦"刚度和弹力

黄说："这种限制阻碍了需要同时具备可拉伸性和刚性的材料的发展，迫使工程师在选择一种特性时牺牲另一种特性，想象一下，心脏植入物会随着每次心跳而弯曲，但仍能使用数年。"黄是这篇论文的第一作者，他与博士后研究员年世峰和蔡一起撰写了这篇论文。"

交联聚合物在我们使用的产品中随处可见，从汽车轮胎到家用电器，它们越来越多地用于生物材料和医疗保健设备。该团队设想的材料应用领域包括假肢和医疗植入物、改进型可穿戴电子设备，以及需要反复弯曲和伸展的软机器人系统的"肌肉"。

刚度和延展性--一种材料在不断裂的情况下可以伸展或膨胀的程度--是相互关联的，因为它们源自相同的结构单元：通过交联连接的聚合物链。 传统上，增强聚合物网络刚度的方法是增加交联。

这虽然能使材料变得更硬，但并不能解决硬度-拉伸性之间的权衡问题。 具有更多交联的聚合物网络更坚硬，但它们没有同样的变形自由，拉伸时很容易断裂。

蔡说："我们的团队意识到，通过设计可在自身结构中存储额外长度的可折叠瓶刷聚合物，我们可以'解耦'刚度和延展性--换句话说，在不牺牲刚度的情况下建立可拉伸性。我们的方法与众不同，因为它侧重于网络链的分子设计，而不是交联。"

使用蔡实验室的"可折叠瓶刷聚合物网络"制成的聚合物材料，其拉伸性能是传统交联聚合物材料的40倍。 资料来源：弗吉尼亚大学工程与应用科学学院蔡立恒、黄百强/软生物物质实验室可折叠设计的工作原理

蔡设计的结构并不是线性聚合物链，而是类似于"瓶花"--许多柔性侧链从中心骨架向外辐射。

最关键的是，骨架可以像手风琴一样随着拉伸而折叠和展开。 当材料被拉动时，聚合物内部隐藏的长度就会展开，使其伸长率达到标准聚合物的 40 倍而不会减弱。

同时，侧链决定刚度，这意味着刚度和拉伸性最终可以独立控制。这是一种"通用"的聚合物网络策略，因为构成可折叠瓶套聚合物结构的成分并不局限于特定的化学类型。

弗吉尼亚大学材料科学与工程系博士生黄百强（左）与弗吉尼亚大学助理教授蔡立恒。 图片来源：弗吉尼亚大学工程与应用科学学院 Matt Cosner

例如，他们设计的一种侧链使用的聚合物即使在低温下也能保持柔韧性。 然而，使用一种不同的合成聚合物（一种常用于生物材料工程的聚合物）来制造侧链，可以产生一种能模拟活组织的凝胶。

与蔡研究员实验室开发的许多新型材料一样，这种可折叠的bottomlebrush聚合物可进行3D打印。 即使与无机纳米粒子混合也是如此，无机纳米粒子可被设计成具有复杂的电、磁或光学特性。

例如，他们可以添加导电纳米粒子，如银或金纳米棒，这对可拉伸和可穿戴电子产品至关重要。这些成分为我们提供了无尽的选择，让我们可以设计出兼顾强度和可拉伸性的材料，同时根据特定要求利用无机纳米粒子的特性。

编译自/ScitechDaily