80%都是水 “超級果凍”材料可抗汽車碾壓

英國劍橋大學(xué)研究人員開發(fā)了一種柔軟而堅(jiān)固的新材料，外觀和感覺就像軟軟的果凍，但其可承受相當(dāng)于大象站在上面的重量，在壓縮時(shí)就像一塊超硬、防碎的玻璃。其還可完全恢復(fù)到原來的形狀，即使其80%的成分是水。

無論是軟的還是硬的、脆的還是強(qiáng)的，材料的行為方式取決于其分子結(jié)構(gòu)。有彈性的橡膠狀水凝膠具有許多有趣的特性，如韌性和自愈能力，使其成為研究的熱門主題，但制造能夠承壓而不破碎的水凝膠是一個(gè)挑戰(zhàn)。

該新材料的非水部分是聚合物網(wǎng)絡(luò)，通過控制材料機(jī)械性能的可逆開/關(guān)相互作用保持在一起。這是第一次將如此顯著的抗壓性融入軟材料中。研究人員稱，玻璃狀水凝膠的成功研制，開啟了高性能軟材料領(lǐng)域的新篇章。

該研究的第一作者、劍橋大學(xué)化學(xué)系黃澤歡(音譯)博士說，為了制造具有所需機(jī)械性能的材料，研究人員使用了可逆交聯(lián)劑。

研究團(tuán)隊(duì)使用稱為葫蘆脲的桶狀分子來制造可以承受壓縮的水凝膠。葫蘆脲就是一種交聯(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”。研究人員設(shè)計(jì)的客體分子在空腔內(nèi)停留的時(shí)間比正常情況長，這使聚合物網(wǎng)絡(luò)保持緊密連接，使其能夠承受壓縮。

研究人員表示，在80%的水含量下，一般認(rèn)為它會像水氣球一樣破裂，但事實(shí)并非如此，它仍保持完整并承受巨大的壓力。研究還發(fā)現(xiàn)，簡單地改變“手銬”內(nèi)客體分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，就可輕松控制抗壓強(qiáng)度。

為了制造類似玻璃的水凝膠，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)使材料的動力學(xué)顯著“減慢”，最終水凝膠的機(jī)械性能從橡膠狀變至玻璃狀。

“超級果凍”具有廣泛的潛在應(yīng)用，包括柔性機(jī)器人、生物電子學(xué)，甚至作為用于生物醫(yī)學(xué)的軟骨替代品。在演示中，這種“超級果凍”材料可在汽車碾壓后也幸存下來。研究人員還制作了一個(gè)水凝膠壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測人體運(yùn)動，包括站立、行走和跳躍。

目前，研究人員正在與工程和材料科學(xué)家合作，進(jìn)一步開發(fā)這些材料以用于生物醫(yī)學(xué)和生物電子學(xué)。相關(guān)研究成果公布在《自然·材料》上。

總編輯圈點(diǎn)

80%都是水是什么概念?可以類比一下，我們?nèi)祟惖拇竽X差不多75%到80%都是水，其余一點(diǎn)成分才是脂肪和蛋白質(zhì)，而大腦之脆弱，在堅(jiān)硬顱骨的保護(hù)下依然“受不得丁點(diǎn)傷害”。本文中80%都是水的果凍材料，其主要功力在于結(jié)構(gòu)中的“分子手銬”，在汽車反復(fù)強(qiáng)壓下，它即便看上去還是個(gè)果凍，但分子動力學(xué)其實(shí)和玻璃已經(jīng)別無二致了。換句話說，它的問世讓人們擁有了一個(gè)柔軟的甚至可能觸感“咕嘰咕嘰”的、卻表現(xiàn)異常堅(jiān)硬的高性能材料。(張夢然)