「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)
不過你能想像有種類似果凍的材料,可以保有跟果凍一樣軟Q濕潤的特性,但是又堅固得不得了,連車子也壓不壞嗎?
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。
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