科学家研发出会变色的自修复凝胶，可拉伸 46 倍

IT之家 9 月 14 日消息，中国台湾地区的研究人员开发出了一种具备可拉伸、自修复特性的凝胶，该凝胶在受到拉伸或加热时会发生颜色变化。这种材料集强度与内置传感功能于一体，有望在可穿戴设备和柔性机器人领域开辟颇具前景的应用方向。

简而言之，这种新型材料可被视为一种“智能弹性体”—— 当它承受压力时，会通过直观的颜色变化“告知”外界。这一突破具有重要意义，因为目前多数柔性或可拉伸材料往往存在性能短板：要么拉伸性能优异但易断裂，要么韧性较强却不具备自修复能力或应力传感功能。

而这款新型凝胶成功实现了强度、自修复能力与传感功能的三位一体，实属难得。

据IT之家了解，这一突破的核心在于对材料分子结构的巧妙设计。研究人员采用了一种名为“轮烷（rotaxane）”的机械互锁分子，这类分子呈环状结构，可沿“分子杆”滑动。研究团队将轮烷以“雏菊花链”的形式连接（即两个轮烷相互链接），使其能像弹簧一样实现更大幅度的伸缩。

在此基础上，研究团队还在这些分子上连接了一种名为 DPAC 的特殊荧光单元。当 DPAC 可自由移动时，会发出橙色荧光；而当它的运动受到限制（如材料被拉伸或弯曲时），则会发出蓝色荧光。

因此，当凝胶受到拉伸时，轮烷的环状分子会发生滑动，进而限制 DPAC 的运动，在紫外光照射下，凝胶会肉眼可见地从橙色变为蓝色。这些互锁分子通过化学键与聚氨酯凝胶结合，同时凝胶中还添加了纤维素纳米晶体（一种微小且强度极高的纤维）以增强结构稳定性。

纤维素的作用在于，通过在凝胶网络中形成可逆氢键，助力材料实现自修复。由于可滑动的轮烷分子是“嵌入”凝胶结构而非简单混合，其运动能与凝胶的拉伸过程直接关联。

实验测试显示，这种新型材料的拉伸性能极为出色，可安全承受约 4600% 的应变（例如将 1 厘米长的凝胶拉伸至 46 厘米仍不会断裂）。同时，其韧性也表现突出，韧性值达到 142 兆焦 / 立方米，约为不含轮烷分子的同款凝胶的 2.6 倍。

由于该材料在承受应变时会发生颜色变化（从橙色变为蓝色），研究人员只需观察其颜色分布，就能绘制出凝胶的应力分布情况。此外，其还会随温度变化而变色（高温时呈橙色，冷却或受力时呈蓝色）。

该材料的核心优势之一还在于其自修复性能：在室温环境下，材料受损后数小时内即可完成修复；若进行温和加热，修复速度还能进一步加快。

这类材料在实时监测应力与应变的可穿戴设备中具有极高的应用价值。同时，其在柔性机器人领域也有望发挥重要作用，该领域对部件的强度与响应性均有较高要求。

从理论上讲，这种材料还可用于制造具备传感与自修复功能的人造皮肤或生物医学植入物。此外，这种凝胶或能为“耐损伤电子器件”的研发开辟新路径：这类器件不会突然失效，而是能通过明显的颜色变化提示自身所承受的应变。

简而言之，这款智能凝胶中的微小滑动分子兼具“减震器”与“应力指示器”的双重作用。当对其施加拉伸力时，它既能实现自我修复，又能通过颜色变化直观反映所承受的应变量或温度变化。

相关研究成果已发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。