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 文|陳根

形狀記憶聚合物是一種刺激響應智能材料,在特定的外部刺激條件下可以根據預先設計的方式改變形狀。近年來,形狀記憶聚合物(SMP)的發展取得了明顯進步,其自身的優勢也得到了充分展示。

形狀記憶聚合物具有密度低、變形量大、驅動方式豐富、生物相容性好等一系列優勢,在航空航天、生物醫學、仿生工程、電子元件、智能機器人等領域有著巨大的應用前景。但是,其在能量的儲存方面還有較大提升空間。

近日,美國斯坦福大學的研究人員開發出一種形狀記憶聚合物,其存儲的能量幾乎是以往版本的6倍,相關成果發表在了《美國化學會中心科學》上。

通常情況下,形狀記憶聚合物的變形狀態通過拉伸聚合物形成,并通過分子變化保持在適當的位置,可以在原始未變形狀態和二次變形狀態之間交替。例如動態鍵合網絡或應變誘導結晶,聚合物通過釋放存儲的熵能恢復到原始狀態。在這一過程中,需要聚合物儲存大量能源。

于是,研究人員將4-、4 ' -methylene bisphenylurea單元引入到聚酯(丙二醇)聚合物主鏈中。在聚合物的初始狀態下,聚合物鏈是雜亂無序的。拉伸導致鏈發生排列并在尿素基團之間形成氫鍵,進而形成穩定高度伸長狀態的超分子結構。加熱會導致化學鍵發生斷裂,聚合物則會收縮到最初的無序狀態。

在測試中,該聚合物可拉伸至其原始長度的5倍,能夠儲存高達17．9焦/克的能量,這幾乎是之前形狀記憶聚合物的6倍。研究人員還將預拉伸的聚合物連接到木制人體模型的上臂和下臂,用作人造肌肉。

加熱時,材料收縮可以使人體模型在肘部彎曲手臂。拉伸后的材料可利用這種能量在加熱時舉起自身重量5000倍的物體。除此以外,該形狀記憶聚合物易于制造,價格也較為便宜,原材料成本約為每磅11美元。未來,其有望在眾多領域大展身手。