研究人员推出了一种突破性的聚合物技术，改变了长期以来的工程原则，使材料能够同时结合柔韧性和刚性。
弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员创造了一种新颖的聚合物设计，这挑战了聚合物工程中的既定信念。现在不再是一个理所当然的观点，即更刚性的聚合物必须在可伸展性上作出妥协。
“我们正在解决一个自1839年硫化橡胶发明以来被认为无法解决的核心问题，”材料科学与化学工程的助理教授蔡立恒分享道。
这一创新在查尔斯·古迪尔偶然发现将天然橡胶与硫加热的方法时产生，该方法形成橡胶分子之间的化学链。这个交联的过程形成了聚合物网络，将最初的可弯曲橡胶转变为强韧的弹性材料。
一个多世纪以来，人们始终相信，提高聚合物的刚度意味着要牺牲某种程度的可伸展性。
然而，蔡的团队在博士生黄柏强的带领下，展示了与众不同的方法，提出了创新的“可折叠瓶刷聚合物网络”。他们的研究成果得到了蔡的国家科学基金会职业奖的支持，并被刊登在《科学进展》11月27日的封面上。
刚度与柔韧性的“分离”
黄解释道：“这一限制阻碍了能够同时具备可伸展性和刚度的材料的发展，迫使工程师在两者之间做出选择。” “想象一下一个心脏植入物，每次心跳时都能随之弯曲，同时保持多年耐用。”
黄是论文的主要作者，与博士后研究员年世丰和蔡一起工作。
交联聚合物在许多消费品中至关重要，从汽车轮胎到家庭用品，并在生物材料和医疗技术领域得到了越来越大的应用。
团队设想了他们发明的各种应用，包括假肢、医疗植入物、高级可穿戴技术以及需要持续弯曲和拉伸的“肌肉”柔性机器人系统。
刚度与延展性之间的关系——材料在不破裂的情况下可以拉伸多少——源于同一基础元素：通过交联相互连接的聚合物链。历史上，通过增加交联数量来提高聚合物的刚度一直是标准方法。
虽然这确实使材料更加刚性，但未能解决刚度和可伸展性之间的妥协。具有更高交联密度的聚合物网络变得更刚性，但它们失去了变形的能力，在受拉时导致破裂。
“我们的团队发现，通过制造能够在其结构中储存额外长度的可折叠瓶刷聚合物，我们可以‘解耦’刚度和可伸展性——允许在不降低刚度的情况下增加拉伸，”蔡解释道。“我们的方法代表了一种重点的转变，强调网络链的分子设计，而不仅仅是交联。”
可折叠设计的机械特性
与典型的线性聚合物链不同，蔡的设计类似于瓶刷，具有从中心核心延伸出的多个柔性侧链。
一个关键方面是，主链可以像手风琴一样压缩和扩展，随着拉伸展开。当材料被拉扯时，聚合物内隐藏的长度展开，使其能够比传统聚合物延伸多达40倍而不会丧失强度。
同时，侧链决定了刚度，这意味着刚度和可伸展性终于可以独立改变。
这代表了聚合物网络的“通用”策略，因为构成可折叠瓶刷聚合物的元素并不局限于特定的化学类型。
举例而言，他们的一个设计使用的侧链聚合物在低温下仍然保持柔韧性。或者，利用通常在生物材料工程中发现的不同合成聚合物作为侧链，可以产生一种模拟活组织的胶体。
与蔡实验室生产的许多创新材料一样，可折叠瓶刷聚合物的设计旨在与3D打印兼容。这一属性在与无机纳米颗粒结合时也同样成立，这些无机纳米颗粒可以被设计成表现出复杂的电、电磁或光学特性。
例如，他们可以集成导电纳米颗粒，如银或金纳米杆，这些纳米颗粒对可拉伸和可穿戴电子产品至关重要。
“这些组件为我们制造在耐久性和灵活性之间取得平衡的材料提供了无限的可能性，同时根据具体需求利用无机纳米颗粒的特性，”蔡补充道。
