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弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的科学家们开发出了一种突破性的新型聚合物设计，颠覆了人们长期以来认为硬度较高的聚合物材料一定伸缩性较差的看法。材料科学与工程和化学工程助理教授蔡立恒说："我们正在解决一个自 1839 年硫化橡胶发明以来一直被认为不可能解决的根本性难题。"
通过交联可折叠瓶刷聚合物形成的网络艺术效果图，这种聚合物的特点是在塌陷的骨架上接枝了许多柔性线性侧链。 资料来源：弗吉尼亚大学工程与应用科学学院蔡立恒、黄百强/软生物物质实验室
当时，查尔斯-古德伊尔（Charles Goodyear）意外地发现，用硫磺加热天然橡胶会在股状橡胶分子之间产生化学交联。 这种交联过程形成了聚合物网络，将在高温下熔化和流动的粘性橡胶转变为耐用的弹性材料。从那时起，人们就一直认为，如果想让聚合物网络材料变得坚硬，就必须牺牲一些伸展性。
现在，由博士生黄百强领导的蔡团队用他们的新型"可折叠瓶刷聚合物网络"推翻了这一观点。 他们的研究成果获得了美国国家科学基金会CAREER奖的资助，并刊登在11月27日出版的Science Advances杂志封面上。
"拉力测试"展示了传统聚合物网络在拉力作用下的分解速度。 资料来源：弗吉尼亚大学工程与应用科学学院蔡立恒、黄百强/软生物物质实验室解耦"刚度和弹力
黄说："这种限制阻碍了需要同时具备可拉伸性和刚性的材料的发展，迫使工程师在选择一种特性时牺牲另一种特性，想象一下，心脏植入物会随着每次心跳而弯曲，但仍能使用数年。"黄是这篇论文的第一作者，他与博士后研究员年世峰和蔡一起撰写了这篇论文。"
交联聚合物在我们使用的产品中随处可见，从汽车轮胎到家用电器，它们越来越多地用于生物材料和医疗保健设备。该团队设想的材料应用领域包括假肢和医疗植入物、改进型可穿戴电子设备，以及需要反复弯曲和伸展的软机器人系统的"肌肉"。
刚度和延展性--一种材料在不断裂的情况下可以伸展或膨胀的程度--是相互关联的，因为它们源自相同的结构单元：通过交联连接的聚合物链。 传统上，增强聚合物网络刚度的方法是增加交联。
这虽然能使材料变得更硬，但并不能解决硬度-拉伸性之间的权衡问题。 具有更多交联的聚合物网络更坚硬，但它们没有同样的变形自由，拉伸时很容易断裂。
蔡说："我们的团队意识到，通过设计可在自身结构中存储额外长度的可折叠瓶刷聚合物，我们可以'解耦'刚度和延展性--换句话说，在不牺牲刚度的情况下建立可拉伸性。我们的方法与众不同，因为它侧重于网络链的分子设计，而不是交联。"
使用蔡实验室的"可折叠瓶刷聚合物网络"制成的聚合物材料，其拉伸性能是传统交联聚合物材料的40倍。 资料来源：弗吉尼亚大学工程与应用科学学院蔡立恒、黄百强/软生物物质实验室可折叠设计的工作原理
蔡设计的结构并不是线性聚合物链，而是类似于"瓶花"--许多柔性侧链从中心骨架向外辐射。
最关键的是，骨架可以像手风琴一样随着拉伸而折叠和展开。 当材料被拉动时，聚合物内部隐藏的长度就会展开，使其伸长率达到标准聚合物的 40 倍而不会减弱。
同时，侧链决定刚度，这意味着刚度和拉伸性最终可以独立控制。这是一种"通用"的聚合物网络策略，因为构成可折叠瓶套聚合物结构的成分并不局限于特定的化学类型。
弗吉尼亚大学材料科学与工程系博士生黄百强（左）与弗吉尼亚大学助理教授蔡立恒。 图片来源：弗吉尼亚大学工程与应用科学学院 Matt Cosner
例如，他们设计的一种侧链使用的聚合物即使在低温下也能保持柔韧性。 然而，使用一种不同的合成聚合物（一种常用于生物材料工程的聚合物）来制造侧链，可以产生一种能模拟活组织的凝胶。
与蔡研究员实验室开发的许多新型材料一样，这种可折叠的bottomlebrush聚合物可进行3D打印。 即使与无机纳米粒子混合也是如此，无机纳米粒子可被设计成具有复杂的电、磁或光学特性。
例如，他们可以添加导电纳米粒子，如银或金纳米棒，这对可拉伸和可穿戴电子产品至关重要。这些成分为我们提供了无尽的选择，让我们可以设计出兼顾强度和可拉伸性的材料，同时根据特定要求利用无机纳米粒子的特性。
编译自/ScitechDaily
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