前沿 化学

一朵“凝胶花”在实验室绽放

材料 动图 gif 科学美图

芸香 发表于  2016-10-11 12:29

在玻璃水槽里,一朵“鲜花”徐徐绽放。它的三次花瓣逐一打开,先是外层的红色花瓣,然后是中间的淡紫色部分,最后,橙色的内层花瓣也舒展开。这朵几厘米大的“花蕾”共用了约2个小时完全舒展开自己的花瓣。

实验室里开放的“花朵”,右下角所示的是实际用时。视频来自:参考文献1。

不过当然,这并不是一朵真正的花,它诞生在材料学研究者的实验室里。除去额外的人工染色,这朵花蕾的真身其实是一片片白色的凝胶材料。在实验室里,它展示着自己的变形能力。

在过去,人们就已经开发出了各种各样的变形材料和形状记忆材料。比如说,那些加热之后就可以恢复原形的“形状记忆合金”。不过,要想让材料改变形状,一般还需要一些外界因素的引发,比如说温度变化。而这一次,研究者们研发的凝胶材料不需要借助 “外力”——它们在经过变形处理之后,可以暂时保持新形状,之后再自己完成形状恢复。

凝胶变形的秘密来自其中的两种键合作用:一个是牢固的共价键,另一个是更容易打破和重建的氢键作用。在这种凝胶材料里,共价键保障了基本的网络结构,并且提供了弹性,而氢键则提供了“临时塑形”的作用。在外力作用下变形之后,原本的氢键被破坏,在新的位置上生成了新的氢键,这些新生成的氢键可以暂时对抗回弹,而当它们“坚持不住”时,凝胶又会逐渐恢复原状。通过对凝胶网络中共价键和氢键的调整,还可以控制凝胶变形的时间。

共价交联(红色)与氢键(蓝色)结合,赋予了材料延迟回弹的性能。图片来自:参考文献1。

除此之外,研究者们还有一种简单但有效的方法进一步控制变形过程。他们在对凝胶进行变形处理时,会在空气中让凝胶表面稍加干燥,形成一层“脱水层”。这样可以进一步加固临时形成的形状,在变干的凝胶重新进入水环境之后,它们才会再开始恢复原状。

用这种材料制成的“小盒子”逐渐展开,研究者事先按顺序在每个折痕处进行了时间不等的处理。视频来自:参考文献1。

“当我第一次看到这朵花时,感觉相当惊讶。它看起来如此栩栩如生,”领导了这项研究的高分子化学教授谢尔盖·舍伊科(Sergei Sheiko)表示,“这是一片没有生命的材料。如果去掉颜料,它只是白色的聚合物而已。这就好像是我们给材料赋予了生命。”

在实验室里做出自动打开的小盒子与花朵显得很有趣,不过这种凝胶也不只是科学家的玩物。研究者希望,这样不借助外界引发就可以“变形”的材料能够用来研发新型的医疗植入物。(编辑:窗敲雨)

参考资料:

  1. http://www.nature.com/articles/ncomms12919
  2. https://www.theguardian.com/science/2016/sep/27/this-delicate-flower-was-created-in-a-lab-and-could-revolutionise-surgery

热门评论

  • 2016-10-11 12:46 鬼谷藏龙 神经科学博士生

    可以用在人工丁丁上!

    浇点水,小帐篷就支起来啦~

    [36] 评论
  • 2016-10-11 13:12 大头米少
    引用@鬼谷藏龙 的话:可以用在人工丁丁上!浇点水,小帐篷就支起来啦~

    喝水时不小心洒到了自己裤裆。

    [4] 评论

显示所有评论

全部评论(21)

显示所有评论

你的评论

登录 发表评论

作者的其他文章

更多科研事,扫码早知道

关于我们 加入果壳 媒体报道 帮助中心 果壳活动 免责声明 联系我们 移动版 移动应用

©2017果壳网    京ICP证100430号    京网文[2015] 0609-239号    新出发京零字东150005号     京公网安备11010502007133号

违法和不良信息举报邮箱:jubao@guokr.com    举报电话:13488674940