「你被逮捕了！」在警匪劇的最後一幕中，經常是警察逮捕犯人，銬上手銬，犯人就逃不掉了。你知道嗎？「手銬」的原理也能用來設計新的材料：「超級果凍」。
你被逮捕了！逮捕犯人用的手銬，也可以應用在材料科學上（來源：藤島康介／講談社）
你喜歡吃果凍嗎？軟Q、濕潤、冰涼，輕輕一咬，果凍在口中碎裂，充滿果汁的香甜，是夏天消暑聖品。
秀色可餐的果凍，夏天消暑聖品。（跟現在的季節不太合，沒辦法論文是這個時候發的。來源：tOrange.biz）
英國劍橋大學的研究團隊，利用「分子手銬」，將高分子聚合物「銬」住，變成一種既柔軟又強韌，具有玻璃結構的「超分子網路」（supramolecular network）。這種材料，看起來真的就像一塊果凍一樣，半透明而且軟Q軟Q的，而且含水量也高達80%。不過把它放在地上，可是連大象也踩不壞——不過在實驗室裡面要牽頭大象來作材料強度的實驗有點麻煩，所以改用一台1200公斤的汽車，把這塊果凍來回碾壓12次，雖然過程中的壓縮率可以高達93%，不過材料卻毫髮無傷，並且在兩分鐘之內完全恢復原來的形狀。
怎麼看都像是一塊普通果凍的「超級果凍」。（來源：University of Cambridge）
一般的高分子材料，靠的是長鏈高分子之間互相糾纏所形成的網路而成，在較大的壓力下，受力的部分的分子糾纏會被斷開。本研究中的「超分子網路」除了高分子之間的長鏈之外，還利用一種稱為「葫蘆巴脲」（Cucurbituril）的水桶狀分子，讓數條高分子長鏈穿過這個「水桶」中央空心的部分，像手銬一樣把這幾條高分子長鏈銬在一起，增加了網路的強韌程度，同時因為這些水桶分子並非鎖死不動，壓力下來時可以沿著長鏈往兩邊滑開，達到受力分散的效果，使得這種材料能兼顧柔軟與強韌兩種特性。
「葫蘆巴脲」的分子結構，上為俯視圖，下為側面圖，水桶可大可小。（來源：Wikipedia）
它能承受的壓縮應力在100 MPa 以上，也就是每平方公尺一萬噸重、或是每平方公分一噸重的力量，強度跟你家的鑄鐵鍋差不多（130 MPa）。
相較於一般高分子網路（右上），超分子網路（右下）強韌的秘密。）（來源：東京大學新物質‧介面科學講座，伊藤耕三、橫山英明研究室）
這些特性，讓這種材料可望能運用在許多領域，特別是在醫學上，可以用來當作「人工軟骨」，也可以拿來作「軟性機器人」，也就是「像人而不像機器」的機器人。
這個研究，發表於2021/11/25的「Nature Materials」期刊。
- 超中二物理宅雜記
- 等我征服世界就把軟物質物理學列為全人類必修
- 生命宇宙與萬事萬物什麼都馬跟物理有關
- 話都給我講就好 其之296（往 300 邁進中！）
劍橋大學新聞稿（2021/11/25）：https://www.cam.ac.uk/research/news/super-jelly-can-survive-being-run-over-by-a-car
Nature Materials論文（2021/01/08）：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01124-x
汽車碾壓實驗影片：https://youtu.be/mSyi9pWuTgE
