浙大團(tuán)隊研發(fā)可“編程”材料 一束光把“塑料”變“橡膠”

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浙大化學(xué)工程與生物工程學(xué)院教授謝濤團(tuán)隊最新設(shè)計出一種新型高分子材料，在光的調(diào)控下，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以變化出多種形式，對應(yīng)呈現(xiàn)出迥然相異的宏觀性能。這意味著，人們可以對同一材料的不同區(qū)域進(jìn)行“編程”，一次制造集多種材料于一體的復(fù)雜產(chǎn)品。相關(guān)研究論文日前發(fā)表在國際著名期刊《科學(xué)進(jìn)展》。

謝濤教授及其合作團(tuán)隊研究的是一類網(wǎng)絡(luò)型高分子，其分子結(jié)構(gòu)有點(diǎn)兒像枝蔓交錯的葡萄園，有長長的主鏈，主鏈上有時還連著側(cè)鏈，就像掛著一串串分子“葡萄”。現(xiàn)在，科學(xué)家走進(jìn)了這片聚合物的“葡萄園”里，用一束光改變了“葡萄串”的結(jié)構(gòu)：在主鏈網(wǎng)絡(luò)保持不變的情況下，增加側(cè)鏈的數(shù)量，而每一條側(cè)鏈的長度變得更短。謝濤教授認(rèn)為這是一種拓?fù)洚悩?gòu)，“就像用一堆同樣的樂高積木搭出不同的結(jié)構(gòu)”。

當(dāng)大分子能夠像變形金剛一樣去改變自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，其性能也會隨之發(fā)生大幅度變化。在塑料“彈簧”的拉力試驗開始前，光線定向?qū)�彈簧的幾個“關(guān)節(jié)”進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的“編程”，被“編程”過的地方變軟了，“彈簧”因此展現(xiàn)出更好的伸展性。

這種可編程的高分子材料被稱為拓?fù)洚悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)高分子，對應(yīng)的英文為Topology IsomerizableNetwork（簡寫為TIN）。不同的光照條件會觸發(fā)它成為不同的材料。“它像一種‘待定’的材料，你可以根據(jù)需要把它變成你想要的。”研究團(tuán)隊成員之一，趙騫副教授介紹，材料中含有一種光敏感的催化劑，在光的觸發(fā)以及熱的作用下，聚合物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。

假如物質(zhì)可以編程，我們只需要準(zhǔn)備好 “源”材料，心里想要什么就能讓它成為什么。這樣的“天方夜譚”在電影《變形金剛4》中出現(xiàn)過：史坦利·圖齊把手中一堆懸浮在空中的小方塊稱為“可編程物質(zhì)”，它們一會兒成為了一個音響，一會兒又變成了一把手槍……

盡管夢想還遙遠(yuǎn)，但TIN已顯示出作為可編程物質(zhì)的潛力。在TIN的體系里，編程的語言是“光”，光操控高分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的拓?fù)錁?gòu)型。這樣，一種材料就具有了變成N種材料的可能性，或者，可以做出集多種材料于一身的混合體，從而實(shí)現(xiàn)各種新穎的結(jié)構(gòu)與功能。

研究團(tuán)隊對此做了初步嘗試，他們做了一根、塑料+橡膠的復(fù)合“繩”。在不同的溫度下，具有形狀記憶功能的塑料與形狀基本固定的橡膠，“扭”出了豐富多變的造型。這一嘗試提示人們，當(dāng)我們可以對材料的不同空間區(qū)域進(jìn)行“編程”時，我們就能設(shè)計出各種各樣前所未有的功能材料。這將大大豐富設(shè)計師們的材料庫，在很多新興領(lǐng)域如柔性電子、人工肌肉、智能穿戴等方面展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。