浙大團隊研發(fā)可“編程”材料 一束光把“塑料”變“橡膠”

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浙大化學工程與生物工程學院教授謝濤團隊最新設計出一種新型高分子材料，在光的調控下，其網(wǎng)絡拓撲結構可以變化出多種形式，對應呈現(xiàn)出迥然相異的宏觀性能。這意味著，人們可以對同一材料的不同區(qū)域進行“編程”，一次制造集多種材料于一體的復雜產品。相關研究論文日前發(fā)表在國際著名期刊《科學進展》。

謝濤教授及其合作團隊研究的是一類網(wǎng)絡型高分子，其分子結構有點兒像枝蔓交錯的葡萄園，有長長的主鏈，主鏈上有時還連著側鏈，就像掛著一串串分子“葡萄”。現(xiàn)在，科學家走進了這片聚合物的“葡萄園”里，用一束光改變了“葡萄串”的結構：在主鏈網(wǎng)絡保持不變的情況下，增加側鏈的數(shù)量，而每一條側鏈的長度變得更短。謝濤教授認為這是一種拓撲異構，“就像用一堆同樣的樂高積木搭出不同的結構”。

當大分子能夠像變形金剛一樣去改變自身拓撲結構時，其性能也會隨之發(fā)生大幅度變化。在塑料“彈簧”的拉力試驗開始前，光線定向對彈簧的幾個“關節(jié)”進行了拓撲結構的“編程”，被“編程”過的地方變軟了，“彈簧”因此展現(xiàn)出更好的伸展性。

這種可編程的高分子材料被稱為拓撲異構網(wǎng)絡高分子，對應的英文為Topology IsomerizableNetwork（簡寫為TIN）。不同的光照條件會觸發(fā)它成為不同的材料。“它像一種‘待定’的材料，你可以根據(jù)需要把它變成你想要的。”研究團隊成員之一，趙騫副教授介紹，材料中含有一種光敏感的催化劑，在光的觸發(fā)以及熱的作用下，聚合物的拓撲結構會發(fā)生變化。

假如物質可以編程，我們只需要準備好 “源”材料，心里想要什么就能讓它成為什么。這樣的“天方夜譚”在電影《變形金剛4》中出現(xiàn)過：史坦利·圖齊把手中一堆懸浮在空中的小方塊稱為“可編程物質”，它們一會兒成為了一個音響，一會兒又變成了一把手槍……

盡管夢想還遙遠，但TIN已顯示出作為可編程物質的潛力。在TIN的體系里，編程的語言是“光”，光操控高分子網(wǎng)絡內部的拓撲構型。這樣，一種材料就具有了變成N種材料的可能性，或者，可以做出集多種材料于一身的混合體，從而實現(xiàn)各種新穎的結構與功能。

研究團隊對此做了初步嘗試，他們做了一根、塑料+橡膠的復合“繩”。在不同的溫度下，具有形狀記憶功能的塑料與形狀基本固定的橡膠，“扭”出了豐富多變的造型。這一嘗試提示人們，當我們可以對材料的不同空間區(qū)域進行“編程”時，我們就能設計出各種各樣前所未有的功能材料。這將大大豐富設計師們的材料庫，在很多新興領域如柔性電子、人工肌肉、智能穿戴等方面展現(xiàn)廣闊的應用前景。