聚合物科学使橡胶轮胎、特氟龙和凯夫拉纤维、塑料水瓶、尼龙夹克成为日常生活中不可分割的一部分。弹性聚合物，称为弹性体，可以反复拉伸和释放，用于手套和心脏瓣膜等需要长时间使用而不会撕裂的应用。但是一个难题长期以来一直困扰着聚合物科学家：弹性聚合物可以很硬，也可以很软，但不能两者兼而有之。



这种刚度-韧性冲突对于开发可用于组织再生、生物粘合剂、生物打印、可穿戴电子产品和软机器人等应用的聚合物的科学家来说是一个挑战。



在发表在《科学》杂志上的一篇论文中，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员解决了这一长期存在的冲突，并开发了一种既坚硬又坚韧的弹性体。



除了为新兴应用开发聚合物外，科学家们还面临着一个紧迫的挑战：塑料污染，该研究的资深作者、Allen E. 和 Marilyn M. Puckett 力学与材料教授索志刚说。可生物降解聚合物的发展再次将我们带回了基本问题——为什么有些聚合物坚硬，而另一些则脆？我们如何使聚合物在反复拉伸下抗撕裂？



聚合物链是通过将单体构建块连接在一起而制成的。为了使材料具有弹性，聚合物链通过共价键交联。交联越多，聚合物链越短，材料越硬。



随着你的聚合物链变短，你可以储存在材料中的能量变得越来越少，材料变得脆弱，该论文的共同第一作者、SEAS的研究生Junsoo Kim 说，如果你只有几个交联，链就会更长，而且材料很坚韧，但它太软而无用。



为了开发一种既坚硬又坚韧的聚合物，研究人员着眼于使用物理键而不是化学键来连接聚合物链。这些称为缠结的物理键几乎与聚合物科学存在的时间一样，在该领域中就已为人所知，但它们被认为只影响刚度，而不影响韧性。



但是 SEAS 研究小组发现，如果有足够多的缠结，聚合物可以在不影响刚度的情况下变得坚韧。为了制造高度缠结的聚合物，研究人员使用了浓缩单体前体溶液，其含水量比其他聚合物配方少 10 倍。



SEAS 博士后研究员、该论文的共同第一作者张国高说，通过将所有单体用较少的水挤入该溶液中，然后将其聚合，我们迫使它们纠缠在一起，就像缠结的纱线一样。就像针织面料一样，聚合物通过物理交织保持彼此的联系。



有数百个这样的缠结，只需要少量的化学交联来保持聚合物的稳定。



作为弹性体，这些聚合物具有很高的韧性、强度和抗疲劳性，SEAS 访问学者、该论文的合著者梅轩子说，当聚合物浸入水中成为水凝胶时，它们具有低摩擦和高耐磨性。



高抗疲劳性和高耐磨性提高了聚合物的耐用性和使用寿命。



我们的研究表明，通过使用缠结而不是交联，我们可以通过提高材料的耐用性来减少某些塑料的消耗，张说。



我们希望这种对聚合物结构的新理解将扩大应用的机会，并为具有这些卓越机械性能的更可持续、更持久的聚合物材料铺平道路，金说。

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来源：贤集网
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