新设计实现聚合物刚度和拉伸性独立控制

传统材料学认为，聚合物材料越硬，可拉伸性就越差。美国弗吉尼亚大学研究人员开发了一种新型聚合物设计方法，可能会颠覆这一延续近200年的传统观念。相关成果以封面论文的形式发表在27日《科学进展》杂志上。

由交联可折叠的瓶刷状聚合物形成的网络（艺术图）。图片来源：美国弗吉尼亚大学

研究人员表示，他们正在解决一个自1839年硫化橡胶发明以来就被认为无法解决的难题。当时，美国发明家查尔斯·固特异意外发现，将天然橡胶与硫磺加热后，橡胶分子链之间会形成化学交联。交联过程中形成聚合物网络，使原本在高温下会熔化和流动的黏性橡胶转变为耐用、有弹性的材料。从那时起，人们一直认为，如果想要让聚合物网络材料变硬，就必须牺牲其部分可拉伸性。

然而，弗吉尼亚大学研究人员用其研发的新型可折叠瓶刷状聚合物网络证明事实并非如此。

刚度和拉伸性是相互关联的，因为它们源于相同的构成单元——通过交联连接的聚合物链。传统上，使聚合物网络变硬的方法是增加交联的数量。然而，这么做无法解决刚度与拉伸性之间的权衡问题。更多的交联虽然可让聚合物网络更硬，但变形自由度却变得更低，拉伸时很容易断裂。

新设计的可折叠结构并非简单的线性聚合物链，而是呈现出类似瓶刷的结构，其中有许多灵活的侧链从中心主链上辐射而出。主链能像手风琴一样折叠和展开，在材料被拉伸时，聚合物内部的隐藏长度会展开，使其伸长量达到标准聚合物的40倍以上，且不会减弱其性能。此外，侧链还决定了材料的刚度，从而实现了刚度和拉伸性的独立控制。这种新方法侧重于网络链的分子设计，而非交联。

这种可折叠瓶刷状聚合物网络可3D打印，即使与无机纳米粒子混合后，仍然能保持3D打印能力。这些无机纳米粒子经过设计，可展现出复杂的电学、磁学或光学性质。例如，可以向其中添加导电纳米粒子，这对可拉伸和可穿戴电子设备至关重要。