新型水凝膠拉伸21倍不斷裂

　　據物理學家組織網9月6日報道，由美國哈佛大學的力學、材料科學以及組織工程學科學家組成的研究團隊開發出了一種新型水凝膠材料。這種材料不但延展性和強度極佳，還具有良好的生物相容性和一定的自我修復功能，有望在人工軟骨、人工肌肉以及柔性機器人制造等領域獲得應用。相關論文發表在9月6日出版的《自然》雜志上。

　　論文第一作者、哈佛大學工程學院博士孫貞允(音譯)說，傳統水凝膠幾乎和果凍差不多，強度極差，而這種新材料卻完全不同。制造這種強度極好的水凝膠，他們用到了兩種常見的高分子材料。第一種是聚丙烯酰胺，這種材料經常被用來制造隱形眼鏡，在生物學實驗室中也被用作電泳凝膠;第二種是藻酸鹽，這是一種從海藻中提取的物質，常用于食品增稠。

　　如果單獨來看，兩種物質都較為脆弱，例如藻酸鹽，延展到原始長度的1.2倍就會發生斷裂。但如果按照一種特殊工藝將兩種物質以8∶1的比例進行調配后，這一切就會發生變化。從微觀上看，這兩種物質會結合在一起，構成一種復雜的、相互交叉的網格結構。這種網格狀的化學結構能夠允許其進行高強度的拉伸而不至發生斷裂。合成完成后，水凝膠中的藻酸鹽分子之間會形成弱離子鍵，并在這個過程中捕獲水中的鈣離子。當凝膠被拉伸時，這些離子鍵會被拉開，同時釋放出鈣離子。這時水凝膠便具有了極大的拉伸余地，而聚合物鏈依然完好無損。與此同時，聚丙烯酰胺鏈構成的網格結構還會以共價鍵的方式與藻酸鹽緊密固定在一起。這些聚丙烯酰胺網格有助于分散拉力，保證藻酸鹽離子鍵不被拉得四分五裂。

　　實驗發現，一塊完整的這種水凝膠材料可拉伸至原長度的21倍而不發生斷裂;即便在部分破損(材料上存在裂縫或小洞)的情況下，它也能拉伸至原長度的17倍。更重要的是，這種水凝膠在多次延展拉伸后仍能保持良好的柔韌性和強度。原因在于，在被拉伸后，只要稍稍放松，藻酸鹽離子鍵與鈣離子之間又會重新結合，恢復之前的結構，煥然一新。這一過程還會隨著環境溫度的升高而加速。

　　研究人員稱，除人工軟骨外，新的水凝膠還可以用于柔性機器人、光學、人工肌肉等領域。下一步，他們將借助一套模型系統，探索這種新材料在力學及其他領域的應用。