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“想变就变”的新型自伸缩材料

来源:qqxcl 发表时间:2015-04-17 14:00:59 分享到
【摘要】
美国罗彻斯特大学的一个研究团队通过给一种新型聚合物材料提前内部“设定”一个永久力,使得此材料能够在加热冷却时发生自伸缩,且无循环次数限制。

美国罗彻斯特大学的一个研究团队通过给一种新型聚合物材料提前内部“设定”一个永久力,使得此材料能够在加热冷却时发生自伸缩,且无循环次数限制。

尽管大多数材料在加热的时候会有小幅度的膨胀,不过刊登在近期美国化学会著名期刊《ACS Macro Letters》上的一篇论文指出,科学家们发现了一种橡胶类材料,不仅在冷却之后会自伸展,而且在加热的时候会回复至初始形状,所有的变化过程都不需任何外力。

新型自伸缩材料

美国罗彻斯特大学化学工程系的副教授Mitchell Anthamatten解释道:“这种材料像形状记忆聚合物一样可以在两种不同形状之间进行转换,不过这种材料不需要设定任何转换周期,它仅仅通过冷却和加热就可以重复转换形状而不需任何外力。”

Anthamatten及其团队的成功得益于最近才研发出的一种冷却后也能发生伸缩的聚合物。普通的聚合物一般需要施加一点荷载以固定其形变的方向,然而这种新型聚合物不需要如此,因为研究团队让它“以为”已经施加了一个荷载 (实则不是外部作用力) 。

为了实现这一策略,研究人员通过结晶作用在材料内部引入了一个永久存在的压力,此力来源于聚合物网络中各分子链间松散连接的交链作用键。材料能在给定压力下伸展然后变成既定形状。这种情况下,增强交链作用并冷却聚合物,就会导致材料在既定方向结晶。

团队发现,内部的结晶力大到一定程度就可使材料沿某一方向伸展。一旦冷却至50 °C以下,聚合物链段就会挤进高度有序的片晶层间。这种重组发生于聚合物网络内,会造成材料长度增加15%或以上。

“聚合物网络内的压力取代了外加负荷,使材料能够‘记住’它将要呈现的形状,那么以后冷却的时候就不再需要外力了。”Anthamatten说道。

传统的形状记忆聚合物在每一个循环周期之后都要重新设定,但是Anthamatten和他的团队研发的材料不需要这样麻烦。在多次冷却和加热的循环周期之后,他们发现这种材料记住了设定的形状并能毫无偏差地回复到初始形状。

Anthamatten认为这种材料能大量应用于各种实际操作中需要可逆形变材料的场合,像生物技术、人工肌肉以及机器人等。

“下一步就是优化这种聚合物材料的形状以及生产过程中的能量释放情况,” Anthamatten说,“这可以通过调节分子链间交链作用的类型和密度来实现。”

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