美國研發(fā)新型水凝膠 拉伸21倍不斷裂

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)9月6日報道，由美國哈佛大學(xué)的力學(xué)、材料科學(xué)以及組織工程學(xué)科學(xué)家組成的研究團隊開發(fā)出了一種新型水凝膠材料。這種材料不但延展性和強度，還具有良好的生物相容性和一定的自我修復(fù)功能，有望在人工軟骨、人工肌肉以及柔性機器人制造等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。相關(guān)論文發(fā)表在9月6日出版的《自然》雜志上。

論文*作者、哈佛大學(xué)工程學(xué)院博士孫貞允(音譯)說，傳統(tǒng)水凝膠幾乎和果凍差不多，強度極差，而這種新材料卻*不同。制造這種強度*的水凝膠，他們用到了兩種常見的高分子材料。*種是聚丙烯酰胺，這種材料經(jīng)常被用來制造隱形眼鏡，在生物學(xué)實驗室中也被用作電泳凝膠;第二種是藻酸鹽，這是一種從海藻中提取的物質(zhì)，常用于食品增稠。

如果單獨來看，兩種物質(zhì)都較為脆弱，例如藻酸鹽，延展到原始長度的1.2倍就會發(fā)生斷裂。但如果按照一種特殊工藝將兩種物質(zhì)以8∶1的比例進行調(diào)配后，這一切就會發(fā)生變化。從微觀上看，這兩種物質(zhì)會結(jié)合在一起，構(gòu)成一種復(fù)雜的、相互交叉的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)格狀的化學(xué)結(jié)構(gòu)能夠允許其進行高強度的拉伸而不至發(fā)生斷裂。合成完成后，水凝膠中的藻酸鹽分子之間會形成弱離子鍵，并在這個過程中捕獲水中的鈣離子。當凝膠被拉伸時，這些離子鍵會被拉開，同時釋放出鈣離子。這時水凝膠便具有了極大的拉伸余地，而聚合物鏈依然完好無損。與此同時，聚丙烯酰胺鏈構(gòu)成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)還會以共價鍵的方式與藻酸鹽緊密固定在一起。這些聚丙烯酰胺網(wǎng)格有助于分散拉力，保證藻酸鹽離子鍵不被拉得四分五裂。

實驗發(fā)現(xiàn)，一塊完整的這種水凝膠材料可拉伸至原長度的21倍而不發(fā)生斷裂;即便在部分破損(材料上存在裂縫或小洞)的情況下，它也能拉伸至原長度的17倍。更重要的是，這種水凝膠在多次延展拉伸后仍能保持良好的柔韌性和強度。原因在于，在被拉伸后，只要稍稍放松，藻酸鹽離子鍵與鈣離子之間又會重新結(jié)合，恢復(fù)之前的結(jié)構(gòu)，煥然一新。這一過程還會隨著環(huán)境溫度的升高而加速。

研究人員稱，除人工軟骨外，新的水凝膠還可以用于柔性機器人、光學(xué)、人工肌肉等領(lǐng)域。下一步，他們將借助一套模型系統(tǒng)，探索這種新材料在力學(xué)及其他領(lǐng)域的應(yīng)用。