日本科學(xué)家日前開(kāi)發(fā)出一種伸縮性和機(jī)械強(qiáng)度極好的水凝膠，無(wú)論是拉扯、按壓還是纏繞、打結(jié)都不會(huì)對(duì)其造成損傷，徹底改變此前溫度和pH值敏感性水凝膠脆弱易損的形象，為水凝膠的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。相關(guān)論文發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。
水凝膠能夠在不同的條件下可逆地改變其大小和形狀。這種特性使其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，如人造肌肉、藥物遞送或傳感器應(yīng)用等。但是刺激敏感性水凝膠已經(jīng)研究了數(shù)十年仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，其中最大的問(wèn)題就是這種材料通常都比較柔軟和脆弱，在拉伸時(shí)極易發(fā)生斷裂。
所有的水凝膠都是由一種聚合物網(wǎng)格組成，具有較高的含水量。此前不少研究曾嘗試通過(guò)改變聚合物結(jié)構(gòu)的方式來(lái)增強(qiáng)其強(qiáng)度，但結(jié)果發(fā)現(xiàn)這樣同時(shí)也會(huì)改變水凝膠的刺激敏感性。
由日本名古屋大學(xué)和東京大學(xué)的研究人員所制造出的這種新型水凝膠，不但具有溫度和pH值敏感性，同時(shí)還擁有極佳的伸縮性和機(jī)械強(qiáng)度。物理學(xué)家組織網(wǎng)10月23日(北京時(shí)間)報(bào)道稱(chēng)，其設(shè)計(jì)靈感來(lái)自最近一項(xiàng)被稱(chēng)為“滑環(huán)凝膠”的研究，即分子可以通過(guò)交聯(lián)聚合物的8字狀的結(jié)孔滑動(dòng)。這種滑動(dòng)被稱(chēng)為“滑輪效應(yīng)”。通過(guò)聚合物網(wǎng)格中較小的應(yīng)力，滑輪效應(yīng)大大增強(qiáng)了水凝膠的強(qiáng)度。此外在新的研究中，研究人員還通過(guò)離子部位的聚合物網(wǎng)格來(lái)增強(qiáng)水凝膠的伸縮性，并使其能夠調(diào)節(jié)水凝膠對(duì)溫度以及pH值的響應(yīng)。
由此產(chǎn)生的水凝膠具有許多優(yōu)異性能。它們能夠經(jīng)受住拉扯、壓縮、纏繞、打結(jié)而不會(huì)折斷。即便用鋒利的刀也不會(huì)被輕易切斷。此外，它們還可以吸收大量的水分，使自重增加620倍，在水中體積會(huì)顯著增加。
論文合著者日本名古屋大學(xué)武岡幸和說(shuō)：“在我看來(lái)，這項(xiàng)工作最大的意義在于，不僅為化學(xué)家，也為其他領(lǐng)域，如物理學(xué)、生物學(xué)和工程學(xué)的研究人員提供了一種容易獲取的、具有極強(qiáng)伸縮性的水凝膠。這些水凝膠在科學(xué)家的手中將具有無(wú)限的可能性。”
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即便是對(duì)水凝膠聚合物網(wǎng)格進(jìn)行較小的修改，也會(huì)使其化學(xué)特性發(fā)生急劇變化。這種制備方法簡(jiǎn)單通用，能夠很容易與其他工藝相結(jié)合。武岡幸和稱(chēng)，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，他們還能讓這種水凝膠的伸縮性能得到進(jìn)一步提升。
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