新設計實現聚合物剛度和拉伸性獨立控制

傳統材料學認為，聚合物材料越硬，可拉伸性就越差。美國弗吉尼亞大學研究人員開發了一種新型聚合物設計方法，可能會顛覆這一延續近200年的傳統觀念。相關成果以封面論文的形式發表在27日《科學進展》雜志上。

由交聯可折疊的瓶刷狀聚合物形成的網絡（藝術圖）。圖片來源：美國弗吉尼亞大學

研究人員表示，他們正在解決一個自1839年硫化橡膠發明以來就被認為無法解決的難題。當時，美國發明家查爾斯·固特異意外發現，將天然橡膠與硫磺加熱后，橡膠分子鏈之間會形成化學交聯。交聯過程中形成聚合物網絡，使原本在高溫下會熔化和流動的黏性橡膠轉變為耐用、有彈性的材料。從那時起，人們一直認為，如果想要讓聚合物網絡材料變硬，就必須犧牲其部分可拉伸性。

然而，弗吉尼亞大學研究人員用其研發的新型可折疊瓶刷狀聚合物網絡證明事實并非如此。

剛度和拉伸性是相互關聯的，因為它們源于相同的構成單元——通過交聯連接的聚合物鏈。傳統上，使聚合物網絡變硬的方法是增加交聯的數量。然而，這么做無法解決剛度與拉伸性之間的權衡問題。更多的交聯雖然可讓聚合物網絡更硬，但變形自由度卻變得更低，拉伸時很容易斷裂。

新設計的可折疊結構并非簡單的線性聚合物鏈，而是呈現出類似瓶刷的結構，其中有許多靈活的側鏈從中心主鏈上輻射而出。主鏈能像手風琴一樣折疊和展開，在材料被拉伸時，聚合物內部的隱藏長度會展開，使其伸長量達到標準聚合物的40倍以上，且不會減弱其性能。此外，側鏈還決定了材料的剛度，從而實現了剛度和拉伸性的獨立控制。這種新方法側重于網絡鏈的分子設計，而非交聯。

這種可折疊瓶刷狀聚合物網絡可3D打印，即使與無機納米粒子混合后，仍然能保持3D打印能力。這些無機納米粒子經過設計，可展現出復雜的電學、磁學或光學性質。例如，可以向其中添加導電納米粒子，這對可拉伸和可穿戴電子設備至關重要。