人们一直认为，聚合物材料越硬，其可拉伸性就越小。据外媒报道，弗吉尼亚大学（University of Virginia）工程与应用科学学院的研究人员开发出一种新设计，有望解决这一聚合物工程问题。

（图片来源：弗吉尼亚大学）

材料科学与工程、化学工程助理教授Liheng Cai表示：“我们正在解决一个自1839年发明硫化橡胶以来一直被认为无法解决的基本挑战。”

当时，Charles Goodyear偶然发现，当用硫加热天然橡胶时，链状橡胶分子之间会产生化学交联。这种交联过程会形成聚合物网络（polymer network），将粘性橡胶（在高温下会熔化和流动）转化为耐用的弹性材料。自此人们一直认为，如果想让聚合物网络材料变硬，就必须牺牲一定的拉伸性。

通过新发明的“可折叠瓶刷聚合物网络”，Cai教授的团队证明了情况并非如此。

“分离”刚度和弹性

研究负责人Baiqiang Huang表示：“这一局限性阻碍了开发需要兼具可拉伸性和刚性的材料，工程师们不得不选择一种特性而牺牲另一种特性。想象一下，例如一个心脏植入物可以随着每次心跳而弯曲，但仍能持续使用数年。从汽车轮胎到家用电器，交联聚合物在人们日常使用的产品中无处不在。它们在生物材料和医疗保健设备中的应用也越来越多。 ”

该团队设想的一些材料应用包括假肢和医疗植入物、改进的可穿戴电子设备，以及需要反复弯曲和拉伸的软机器人系统的“肌肉”。

刚度和延展性（即材料在不断裂的情况下可以拉伸或扩展的程度）是相互关联的，因为它们源自相同的分子结构块——通过交联连接的聚合物链。传统上，使聚合物网络变硬的方法是增加更多的交联。这会使材料变硬，但无法平衡刚度与拉伸性，具有更多交联的聚合物网络不具有同样的变形自由度，在拉伸时很容易断裂。Cai表示：“研究人员意识到，通过设计可折叠的瓶刷聚合物，使其在自身结构中储存额外的长度，我们可以‘分离’刚度和延展性，换句话说，在不牺牲刚度的情况下实现可拉伸性。这种方法与众不同，因为它专注于网络链分子设计，而不是交联。”

可折叠设计的工作原理

这种结构不是线性聚合物链，而是类似瓶刷的结构，许多灵活的侧链从中心骨架向外辐射。关键是骨架可以像手风琴一样收缩和扩展，随着拉伸而展开。当材料被拉伸时，聚合物内部隐藏的长度会展开，能够比标准聚合物延长多达40倍而不会变弱。同时，侧链决定刚度，这意味着最终可以独立控制刚度和拉伸性。这是聚合物网络的“通用”策略，因为构成可折叠瓶刷聚合物结构的成分并不局限于特定的化学类型。例如，其中一个设计使用一种聚合物作为侧链，即使在低温下也能保持柔韧性。但使用另一种合成聚合物（生物材料工程中的常用聚合物）作为侧链，则制造出可以模拟活体组织的凝胶。

与Cai实验室开发的许多新材料一样，这种可折叠瓶刷聚合物设计可以实现3D打印。即使与无机纳米颗粒混合也是如此，这些纳米颗粒经过设计具有复杂的电、磁或光学特性。例如，研究人员可以添加导电纳米颗粒，如银或金纳米棒，这对于可伸缩和可穿戴电子产品十分重要。Cai表示：“这些组件为设计平衡强度和延展性的材料提供了无限选择，同时可以根据特定要求利用无机纳米颗粒的特性。”