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聚合物科學使橡膠輪胎、特氟龍和凱夫拉纖維、塑料水瓶、尼龍夾克成為日常生活中不可分割的一部分。彈性聚合物，稱為彈性體，可以反復拉伸和釋放，用于手套和心臟瓣膜等需要長時間使用而不會撕裂的應用。但是一個難題長期以來一直困擾著聚合物科學家：彈性聚合物可以很硬，也可以很軟，但不能兩者兼而有之。
這種剛度-韌性沖突對于開發可用于組織再生、生物粘合劑、生物打印、可穿戴電子產品和軟機器人等應用的聚合物的科學家來說是一個挑戰。
在發表在《科學》雜志上的一篇論文中，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院 (SEAS) 的研究人員解決了這一長期存在的沖突，并開發了一種既堅硬又堅韌的彈性體。
除了為新興應用開發聚合物外，科學家們還面臨著一個緊迫的挑戰：塑料污染，該研究的資深作者、Allen E. 和 Marilyn M. Puckett 力學與材料教授索志剛說。可生物降解聚合物的發展再次將我們帶回了基本問題——為什么有些聚合物堅硬，而另一些則脆？我們如何使聚合物在反復拉伸下抗撕裂？
聚合物鏈是通過將單體構建塊連接在一起而制成的。為了使材料具有彈性，聚合物鏈通過共價鍵交聯。交聯越多，聚合物鏈越短，材料越硬。
隨著你的聚合物鏈變短，你可以儲存在材料中的能量變得越來越少，材料變得脆弱，該論文的共同第一作者、SEAS的研究生Junsoo Kim 說，如果你只有幾個交聯，鏈就會更長，而且材料很堅韌，但它太軟而無用。
為了開發一種既堅硬又堅韌的聚合物，研究人員著眼于使用物理鍵而不是化學鍵來連接聚合物鏈。這些稱為纏結的物理鍵幾乎與聚合物科學存在的時間一樣，在該領域中就已為人所知，但它們被認為只影響剛度，而不影響韌性。
但是 SEAS 研究小組發現，如果有足夠多的纏結，聚合物可以在不影響剛度的情況下變得堅韌。為了制造高度纏結的聚合物，研究人員使用了濃縮單體前體溶液，其含水量比其他聚合物配方少 10 倍。
SEAS 博士后研究員、該論文的共同第一作者張國高說，通過將所有單體用較少的水擠入該溶液中，然后將其聚合，我們迫使它們糾纏在一起，就像纏結的紗線一樣。就像針織面料一樣，聚合物通過物理交織保持彼此的聯系。
有數百個這樣的纏結，只需要少量的化學交聯來保持聚合物的穩定。
作為彈性體，這些聚合物具有很高的韌性、強度和抗疲勞性，SEAS 訪問學者、該論文的合著者梅軒子說，當聚合物浸入水中成為水凝膠時，它們具有低摩擦和高耐磨性。
高抗疲勞性和高耐磨性提高了聚合物的耐用性和使用壽命。
我們的研究表明，通過使用纏結而不是交聯，我們可以通過提高材料的耐用性來減少某些塑料的消耗，張說。
我們希望這種對聚合物結構的新理解將擴大應用的機會，并為具有這些卓越機械性能的更可持續、更持久的聚合物材料鋪平道路，金說。
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來源：賢集網
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