科學家打造“超級果凍”:在被汽車碾壓時能變得像安全玻璃一樣堅固

劍橋大學的科學家們已經開發出了一種可以承受住巨大力量的新型軟性材料。這種新型水凝膠被稱之為“超級果凍”,它使用了一種獨特的內部結構,類似於分子手銬以通過進入一種類似玻璃的狀態對壓縮進行反應,並使其能夠被汽車碾壓時不被壓碎。

科學家打造“超級果凍”:在被汽車碾壓時能變得像安全玻璃一樣堅固

水凝膠引起了材料科學家的極大興趣。它們的高含水量使它們適合在人體中使用並使它們具有拉伸和自我修復的特性–可用於機器人、高級隱形眼鏡、人造組織和傷口癒合。這項新研究的研究人員們試圖通過調整基本的分子結構來擴大這些能力。

該研究的論文第一作者Zehuan Huang博士表示:“為了使材料具有我們想要的機械性能,我們使用了交聯劑,即兩個分子通過化學鍵連接。我們使用可逆交聯劑來製造柔軟和有彈性的水凝膠,但製造堅硬和可壓縮的水凝膠是非常困難的,設計一種具有這些特性的材料是完全違背直覺的。”

為了實現這一目標,科學家們轉向了被稱為葫蘆絲的桶狀分子,它將成對的其他分子“拷”在其腔內。然後,他們使用了特別設計的分子,使其在這個空腔內停留的時間比平時更長,這具有保持網絡緊密聯繫的效果並使其能從橡膠般的狀態變化到類似於超硬防碎玻璃的狀態。

據研究小組稱,這使得“超級果凍”能夠承受相當於一頭大象站在它上面的力量而不被壓碎。由於手頭沒有大象,該團隊通過用汽車碾壓這種材料來進行測試,其證明了它如何能夠恢復到原來的形狀。

負責領導這項研究的Oren A. Scherman教授指出:“在80%的含水量下,你會認為它會像水球一樣爆裂,但它沒有:它保持完整並承受巨大的壓迫力。水凝膠的特性似乎是相互矛盾的。”

科學家們還用這種新型材料製作了一個用於人類運動如站立、行走和跳躍的壓力傳感器。他們現在正在繼續開發這種材料以期使其適應生物醫學的應用如軟骨替代–以及潛在的軟機器人技術。

“據我們所知,這是第一次製造出類似玻璃的水凝膠。我們不僅僅是將新的東西寫進教科書,這真的很令人興奮,而且我們在高性能軟材料領域開啟了新的篇章,”Huang說道。

這項研究發表已發表在《Nature Materials》上。