英国研究者发明汽车碾不坏的“超级果冻”，可用于软骨替代

英国剑桥大学研究者研发了一种新材料：它的外观和质感像果冻一样柔软；但是，在压缩时就像一块超硬的防碎玻璃，非常坚固。

如果有大象那么重的东西放在上面，它也能在之后恢复到原来的形状。

实际上，这种材料80%的成分是水。而其非水部分是一个聚合物网络，通过可逆的开关相互作用连接在一起，控制材料的机械性能。这是首次将如此显著的抗压性融入软材料中。

这种新材料具有广泛的潜在应用，诸如软机器人、生物电子学，甚至生物医学用途的软骨替代品等。

相关论文于当地时间11月24日发表在国际知名期刊《自然-材料》，标题为“Highly compressible glass-like supramolecular polymer networks”（高度可压缩类玻璃超分子聚合物网络）。

一种材料的性质——软还是硬、脆还是韧性强，都取决于它们的分子结构。

具有弹性的橡胶状水凝胶——超分子聚合物网络 (Supramolecular polymer networks ，简称SPNs)性能独特，如高韧性、非常强的拉伸性、快速自愈、增强的阻尼能力。

“超分子聚合物网络是一大类通过非共价相互作用交联的聚合物材料。与传统的、脆弱的共价交联网络相比，其通常具有卓越的机械性能，引起了超分子聚合物化学、材料科学和生物医学工程领域研究人员的极大兴趣。”领导此项研究的剑桥大学教授Oren A. Scherman对澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者表示。

虽然关于超分子聚合物网络的研究已经取得了可喜的进展，但尚未满足某些苛刻应用的材料要求。一个主要挑战是能承受极高的压缩，并能在短时间自修复。

“自 2010 年以来，我们一直在使用葫芦脲介导的主客体相互作用作为非共价交联来设计和制造具有可调粘弹性、高拉伸性和韧性以及室温自修复的橡胶状 SPN。”Scherman表示。

“葫芦脲”是一种交联分子，它将两个客体分子固定在其空腔中——就像一个分子手铐（molecular handcuff）。研究人员设计的客体分子更喜欢在空腔内停留比正常时间更长的时间，这使聚合物网络保持紧密连接，使其能够承受压缩。

论文作者之一Jade McCune 博士表示，“水凝胶能够承受压缩的方式令人惊讶，它与我们在水凝胶中看到的任何东西都不一样……我们还发现，通过简单地改变手铐内客体分子的化学结构，可以很容易控制抗压强度。”

为了制造类似玻璃的水凝胶，该研究团队为“手铐”选择了特定的客体分子。改变手铐内客体分子的分子结构使材料的动力学显着“减慢”，最终水凝胶的机械性能从橡胶状到玻璃状。

Scherman表示，人们花了数年时间制造类似橡胶的水凝胶，但只实现了超分子聚合物网络的整体图景的一半。而他们这些研究创造了一类新材料，涵盖了从类橡胶到类玻璃的整个材料特性范围，完成了整个图景。

据介绍，这种新材料具有高达 100 MPa 的超高抗压强度，并能在极短的时间内快速自我恢复（<120 秒）。即使以 93% 的应变压缩、进行12次的压缩/松弛循环时也不会断裂。

为了强调这种材料的可压缩性，研究人员准备了一个体积为70×50×6（毫米）的材料样品用于汽车压缩测试。样品放置在两块铜板之间，以避免任何滑动或表面污染，总重量为1200公斤的四轮汽车在样品顶部保持1分钟。随后，汽车反复压实样品16次，由于该材料能完全自我恢复，没有观察到断裂或不可逆变形。

使用1200kg的四轮汽车对70(L)×50(W)×6(T)mm长方体样品进行缩测试的照片

研究人员使用这种材料制作了一个水凝胶压力传感器，其工作压力范围高达2.5MPa。该传感器表现出相当大的灵敏度。将该传感器结合在人脚底下，成功实现了对行走、跳跃、站立三种运动的实时监测。

“据我们所知，这是第一次制造玻璃状水凝胶。我们不仅在教科书中写了一些新的东西，这真的很令人兴奋，而且我们正在开启高性能软材料领域的新篇章。”论文第一作者Zehuan Huang表示。

目前，Scherman的实验室的研究人员正在与工程和材料科学专家合作，进一步开发这些玻璃状材料，用于生物医学和生物电子应用。

Scherman表示，“这种新型材料在包括软骨置换、电子皮肤、假肢手臂/腿、可穿戴设备以及软机器人在内的广泛应用中具有重要意义。”