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环球科学 2021-12-01

有一种“果冻”,大象踩一脚也不会碎

有一种 " 果冻 ",被大象踩过也不会碎(图片来源:Unsplash)

主要成分是水,就一定会像水气球那样容易被踩爆么?材料科学家才不会认输 ……

撰文 | 栗子

审校 | Clefable

假如想做果冻,最主要的原材料就是水。一大盆水,加一点点果冻粉,即可变成一大盆果冻。

只是,这样做出的果冻十分脆弱,随意踩上几脚就会碎得不成样子。

被踩碎的普通果冻(图片来源:波倍儿棒)

而现在,剑桥大学的科学家们开发出了一种 " 超级果冻 ",虽然主要成分同样是水,但被汽车反复轧过 10 多次都不会碎。不止不碎,还能在短时间内恢复原本的形状。

研究团队把这项成果发表在了《自然 · 材料》杂志上。

快到桶里来

这 " 超级果冻 " 是一种水凝胶,80% 的成分都是水。不过,能让水变得无比强韧的秘诀,就不是果冻粉了。科学家用的是一类名为葫芦脲(cucurbituril)的物质。

葫芦脲是桶状的分子,因为形似葫芦和南瓜,两者又都来自葫芦科(Cucurbitaceae),才得了个贴切的名字。

最左为葫芦脲的分子式,往右依次为葫芦 [ 5 ] 脲、葫芦 [ 6 ] 脲、葫芦 [ 7 ] 脲、葫芦 [ 8 ] 脲,都是桶状分子(图片来源:doi:10.1039/D0RA04387G)

而这些 " 桶 ",都是由一个个甘脲单元连接而成,5 个甘脲单元可以连成葫芦 [ 5 ] 脲,6 个甘脲单元连成葫芦 [ 6 ] 脲。但不论是用几个甘脲单元组成的桶,中间都有空腔,可以用来装东西。比如,这次研究团队用的葫芦 [ 8 ] 脲,是能盛放两个客体分子的桶

当两位 " 客人 " 进了桶,它们所在的链状聚合物就会相互交联起来,形成一张大网,名叫 " 超分子聚合物网络 "(SPN)。因此,负责织网的葫芦 [ 8 ] 脲也被称为一种 " 交联剂 "。

当客体分子两两进入桶中,它们所在的聚合物链,就会形成一张网络,叫 " 超分子聚合物网络 "(SPN)(图片来源:doi:10.1021/acs.chemrev.5b00341)

水分子被包裹在上图这样的网络当中,就可以形成水凝胶了。

不过,水凝胶究竟会有怎样的属性,还得看桶里的客体分子是什么。多年来,科学家们一直喜欢用葫芦脲来探索新的材料,正是因为葫芦脲能结合的客体多种多样。放入不同的客体,就会形成不同的水凝胶,比如可拉伸的水凝胶,能迅速自我修复的水凝胶等等。

大象踩过也不会有事

这一次,剑桥大学的研究团队选择的第一客体是全氟苯基,第二客体则有多个候选(都是苯基的取代物)。

绿色表示第一客体全氟苯基,紫色表示第二客体,苯基的多种取代物皆为候选;灰色桶状分子表示葫芦 [ 8 ] 脲;客体与葫芦 [ 8 ] 脲相结合的反应,都是可逆反应,由箭头表示(图片来源:原论文)

这些客体分子并不会一直待在桶里不走。它们和主体分子葫芦 [ 8 ] 脲之间的化学反应是可逆的,处在一种动态平衡当中。换句话说," 客人 " 一直有来有走。

问题在于," 客人 " 走得是快还是慢。从前科学家们用同种方法做出的水凝胶中,客体分子大多解离比较快,得到的材质柔软可拉伸。但现在,剑桥团队想做 " 压不坏 " 的水凝胶,就要选择解离慢一些的客体分子:结合快,解离慢,那张交联的大网,便能维持一个紧密连接的结构

左为前人的水凝胶研究成果,柔软而可拉伸;右为新研究成果,坚硬且可压缩(图片来源:原论文)

这次被选中的客体,与葫芦脲(主体)相遇后,确实带来了科学家期盼的属性:它们在桶里待的时间比通常的客体分子更久。而由此形成的水凝胶,会有更结实的结构来抵御猛烈的压缩。

像上文提到的那样,团队为葫芦脲选择的第一客体只有一种,第二客体则尝试了多种(压缩性能由弱到强)。其中一种第二客体()登场时,形成的水凝胶足以承受高达 1 亿帕斯卡的强压。在这种情况下,水凝胶被压缩了 93%,薄到快要从照片里隐身的地步,却没有发生断裂。而且重压消失后,它还能在 2 分钟内恢复到原来的形状。

上为水凝胶压缩前,中为压缩时,下为压缩结束后不到 2 分钟(图片来源:原论文)

如果你想知道 1 亿帕斯卡是什么概念,那相当于在人类小拇指指甲(1 平方厘米)上,施加超过 1000 公斤的重压。或者再讲得形象些,如果有只大象一脚踩过一张邮票大小的水凝胶,同时另外三脚悬空,那片水凝胶也可安然无恙。

既然有了 " 超级果冻 ",只压扁它一次显然不够,还要持续蹂躏。科学家让重达 1200 公斤的汽车,用其中一只车轮(~300 公斤)压住 70 × 50 × 6 毫米的水凝胶上 1 分钟不动,后又连续碾过它 16 次。结果,水凝胶依然不负众望恢复原状。

上为压缩前,厚 6 毫米的水凝胶;下为被汽车碾压多次后恢复原状的水凝胶(图片来源:Cambridge University)

这样的材料,应当很柔软吧?但团队介绍,它是一种坚硬的水凝胶,也是已知第一种玻璃状水凝胶。领导这项研究的奥伦谢尔曼(Oren Scherman)教授也说,多年来人们造的都是橡胶状的水凝胶,那只是一半图景;而现在,从橡胶状到玻璃状之间,各种不同压缩性能水凝胶都能制造,整幅图画才算圆满。

这有什么用呢?

首先,科学家用 " 超级果冻 " 做了一枚压力传感器。拜优异的压缩性能所赐,这枚传感器不仅测量范围宽广(上至 2.5MPa),而且十分灵敏,放在脚底的话可以实时区分站立、行走、跳跃这几种动作。

电容式压力传感器输出的压力数据,左为走、中为跳、右为站(图片来源:原论文)

这项小小的演示实验说明," 超级果冻 " 在生物电子领域展开应用是完全有可能的。

而除了适合做传感器,那种承受极大压强而不断裂的特性,可能还有其他用途。它的抗压强度(compressive strength)比起牛关节软骨,已高出至少一个数量级。因此,在人类软骨受伤退化时," 超级果冻 " 或许能成为一种替换材料。

科学家也希望有朝一日,这类新型材料在人造肌肉、义肢或是软体机器人身上,能有用武之地。

但,不可食用。

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