科學家研發(fā)出會變色的自修復凝膠，可拉伸46倍

中國臺灣地區(qū)的研究人員開發(fā)出了一種具備可拉伸、自修復特性的凝膠，該凝膠在受到拉伸或加熱時會發(fā)生顏色變化。這種材料集強度與內(nèi)置傳感功能于一體，有望在可穿戴設備和柔性機器人領域開辟頗具前景的應用方向。

簡而言之，這種新型材料可被視為一種“智能彈性體”—— 當它承受壓力時，會通過直觀的顏色變化“告知”外界。這一突破具有重要意義，因為目前多數(shù)柔性或可拉伸材料往往存在性能短板：要么拉伸性能優(yōu)異但易斷裂，要么韌性較強卻不具備自修復能力或應力傳感功能。

而這款新型凝膠成功實現(xiàn)了強度、自修復能力與傳感功能的三位一體，實屬難得。

據(jù)了解，這一突破的核心在于對材料分子結構的巧妙設計。研究人員采用了一種名為“輪烷（rotaxane）”的機械互鎖分子，這類分子呈環(huán)狀結構，可沿“分子桿”滑動。研究團隊將輪烷以“雛菊花鏈”的形式連接（即兩個輪烷相互鏈接），使其能像彈簧一樣實現(xiàn)更大幅度的伸縮。

在此基礎上，研究團隊還在這些分子上連接了一種名為 DPAC 的特殊熒光單元。當 DPAC 可自由移動時，會發(fā)出橙色熒光；而當它的運動受到限制（如材料被拉伸或彎曲時），則會發(fā)出藍色熒光。

因此，當凝膠受到拉伸時，輪烷的環(huán)狀分子會發(fā)生滑動，進而限制 DPAC 的運動，在紫外光照射下，凝膠會肉眼可見地從橙色變?yōu)樗{色。這些互鎖分子通過化學鍵與聚氨酯凝膠結合，同時凝膠中還添加了纖維素納米晶體（一種微小且強度極高的纖維）以增強結構穩(wěn)定性。

纖維素的作用在于，通過在凝膠網(wǎng)絡中形成可逆氫鍵，助力材料實現(xiàn)自修復。由于可滑動的輪烷分子是“嵌入”凝膠結構而非簡單混合，其運動能與凝膠的拉伸過程直接關聯(lián)。

實驗測試顯示，這種新型材料的拉伸性能極為出色，可安全承受約 4600% 的應變（例如將 1 厘米長的凝膠拉伸至 46 厘米仍不會斷裂）。同時，其韌性也表現(xiàn)突出，韌性值達到 142 兆焦 / 立方米，約為不含輪烷分子的同款凝膠的 2.6 倍。

由于該材料在承受應變時會發(fā)生顏色變化（從橙色變?yōu)樗{色），研究人員只需觀察其顏色分布，就能繪制出凝膠的應力分布情況。此外，其還會隨溫度變化而變色（高溫時呈橙色，冷卻或受力時呈藍色）。

該材料的核心優(yōu)勢之一還在于其自修復性能：在室溫環(huán)境下，材料受損后數(shù)小時內(nèi)即可完成修復；若進行溫和加熱，修復速度還能進一步加快。

這類材料在實時監(jiān)測應力與應變的可穿戴設備中具有極高的應用價值。同時，其在柔性機器人領域也有望發(fā)揮重要作用，該領域對部件的強度與響應性均有較高要求。

從理論上講，這種材料還可用于制造具備傳感與自修復功能的人造皮膚或生物醫(yī)學植入物。此外，這種凝膠或能為“耐損傷電子器件”的研發(fā)開辟新路徑：這類器件不會突然失效，而是能通過明顯的顏色變化提示自身所承受的應變。

簡而言之，這款智能凝膠中的微小滑動分子兼具“減震器”與“應力指示器”的雙重作用。當對其施加拉伸力時，它既能實現(xiàn)自我修復，又能通過顏色變化直觀反映所承受的應變量或溫度變化。

相關研究成果已發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。

來源：IT之家

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