弗吉尼亚大学（UVa）的研究人员已经开发出一种聚合物，它打破了传统的刚度和拉伸性之间的权衡，使其在技术和医学上有了新的应用。

弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的科学家们开发了一种突破性的新型聚合物设计，推翻了长期以来人们认为较硬的聚合物材料拉伸性一定较差的观点。

材料科学与工程、化学工程助理教授蔡立恒（音译）说：“我们正在解决一个自1839年发明硫化橡胶以来一直被认为不可能解决的根本性挑战。”

就在那时，查尔斯·固特异偶然发现，用硫加热天然橡胶会在链状橡胶分子之间产生化学交联。这种交联过程创造了一个聚合物网络，将在高温下融化和流动的粘性橡胶转化为一种耐用、有弹性的材料。

从那时起，人们就认为，如果你想让聚合物网络材料变得坚硬，你就必须牺牲一些可拉伸性。

现在，蔡教授的团队，由博士生黄百强（音译）领导，用他们新的“可折叠瓶刷聚合物网络”打破了这个概念。他们的研究得到了国家科学基金事业奖的资助，并出现在11月27日的《科学进展》杂志的封面上。

“解耦”刚度和拉伸

“这种限制阻碍了既需要可拉伸又需要刚性的材料的发展，迫使工程师以牺牲另一种特性为代价选择一种特性，”黄博士说，他与博士后研究员年世峰（音译）和蔡教授共同撰写了这篇论文。“想象一下，例如，一个心脏植入物可以随着每次心跳而弯曲和屈伸，但仍然可以持续多年。”

交联聚合物在我们使用的产品中无处不在，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。

该团队设想的材料的一些应用包括假肢和医疗植入物，改进的可穿戴电子设备，以及需要反复弯曲、屈伸和拉伸的软机器人系统的“肌肉”。

硬度和延伸性 —— 一种材料在不断裂的情况下可以拉伸或膨胀到什么程度 —— 是相互联系的，因为它们源于相同的构件：通过交联连接的聚合物链。传统上，使聚合物网络变硬的方法是添加更多的交联。

这使材料变硬，但不能解决刚度和拉伸性之间的权衡。交联更多的聚合物网络更硬，但它们没有同样的变形自由，而且在拉伸时很容易断裂。

“我们的团队意识到，通过设计可折叠的瓶刷状聚合物，可以在自己的结构中存储额外的长度，我们可以‘解耦’刚度和可扩展性 —— 换句话说，在不牺牲刚度的情况下建立可拉伸性，”蔡教授说。“我们的方法是不同的，因为它侧重于网络链的分子设计，而不是交联。”

可折叠设计是如何工作的

蔡教授的结构类似于一个瓶刷，而不是线性的聚合物链 —— 许多灵活的侧链从一个中心骨干向外辐射。

关键的是，脊椎骨可以像手风琴一样在拉伸时展开并收缩。当材料被拉动时，聚合物内部隐藏的长度展开，使其比标准聚合物延长40倍而不会变弱。

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。

这是聚合物网络的“通用”策略，因为构成可折叠瓶刷状聚合物结构的成分并不局限于特定的化学类型。

例如，他们的一种设计使用聚合物作为侧链，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，一种在生物材料工程中常用的聚合物，作为侧链，可以生产出一种模拟活体组织的凝胶。

像蔡教授实验室开发的许多新材料一样，可折叠的瓶刷状聚合物被设计为可3D打印的。即使与无机纳米粒子混合也是如此，无机纳米粒子可以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颗粒，如银或金纳米棒，这对可拉伸和可穿戴电子产品至关重要。

蔡教授说：“这些组件为我们设计材料提供了无限的选择，既能平衡强度和拉伸性，又能根据特定要求利用无机纳米颗粒的特性。”

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