浙大团队研发可“编程”材料 一束光把“塑料”变“橡胶”
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浙江大学的一个实验室里 ， 两片塑料“弹簧”正在接受拉力测试 。 一片伸展到原来的1.5倍长时 ， 崩断了；另一片则稳稳伸到了2倍长 。 它们用的是同一种材料 ， 唯一不同的是 ， 第二片塑料被光“点”过“穴” 。
浙大化学工程与生物工程学院教授谢涛团队最新设计出一种新型高分子材料 ， 在光的调控下 ， 其网络拓扑结构可以变化出多种形式 ， 对应呈现出迥然相异的宏观性能 。 这意味着 ， 人们可以对同一材料的不同区域进行“编程” ， 一次制造集多种材料于一体的复杂产品 。 相关研究论文日前发表在国际著名期刊《科学进展》 。
谢涛教授及其合作团队研究的是一类网络型高分子 ， 其分子结构有点儿像枝蔓交错的葡萄园 ， 有长长的主链 ， 主链上有时还连着侧链 ， 就像挂着一串串分子“葡萄” 。 现在 ， 科学家走进了这片聚合物的“葡萄园”里 ， 用一束光改变了“葡萄串”的结构：在主链网络保持不变的情况下 ， 增加侧链的数量 ， 而每一条侧链的长度变得更短 。 谢涛教授认为这是一种拓扑异构 ， “就像用一堆同样的乐高积木搭出不同的结构” 。
当大分子能够像变形金刚一样去改变自身拓扑结构时 ， 其性能也会随之发生大幅度变化 。 在塑料“弹簧”的拉力试验开始前 ， 光线定向对弹簧的几个“关节”进行了拓扑结构的“编程” ， 被“编程”过的地方变软了 ， “弹簧”因此展现出更好的伸展性 。
这种可编程的高分子材料被称为拓扑异构网络高分子 ， 对应的英文为TopologyIsomerizableNetwork（简写为TIN） 。 不同的光照条件会触发它成为不同的材料 。 “它像一种‘待定’的材料 ， 你可以根据需要把它变成你想要的 。 ”研究团队成员之一 ， 赵骞副教授介绍 ， 材料中含有一种光敏感的催化剂 ， 在光的触发以及热的作用下 ， 聚合物的拓扑结构会发生变化 。
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假如物质可以编程 ， 我们只需要准备好“源”材料 ， 心里想要什么就能让它成为什么 。 这样的“天方夜谭”在电影《变形金刚4》中出现过：史坦利·图齐把手中一堆悬浮在空中的小方块称为“可编程物质” ， 它们一会儿成为了一个音响 ， 一会儿又变成了一把手枪……
尽管梦想还遥远 ， 但TIN已显示出作为可编程物质的潜力 。 在TIN的体系里 ， 编程的语言是“光” ， 光操控高分子网络内部的拓扑构型 。 这样 ， 一种材料就具有了变成N种材料的可能性 ， 或者 ， 可以做出集多种材料于一身的混合体 ， 从而实现各种新颖的结构与功能 。
【浙大团队研发可“编程”材料 一束光把“塑料”变“橡胶”】研究团队对此做了初步尝试 ， 他们做了一根、塑料+橡胶的复合“绳” 。 在不同的温度下 ， 具有形状记忆功能的塑料与形状基本固定的橡胶 ， “扭”出了丰富多变的造型 。 这一尝试提示人们 ， 当我们可以对材料的不同空间区域进行“编程”时 ， 我们就能设计出各种各样前所未有的功能材料 。 这将大大丰富设计师们的材料库 ， 在很多新兴领域如柔性电子、人工肌肉、智能穿戴等方面展现广阔的应用前景 。
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