概要：

    研究人員研究設計了一種聚合物材料，這種材料可以根據不同波長的光線改變其結構，從剛性物質轉變為柔軟物質，而且其可以在受損時自行愈合。

圖片來源：Felice Frankel

    圖示儀器為流變儀。其主要功能在于可以測量材料的機械性能。對于本文所研究的材料（儀器平臺上的藍色凝膠），主要是利用流變儀測量其模量，從而了解其剛度和動力學程度。

    麻省理工學院的研究人員設計了一種聚合物材料，這種材料可以根據不同波長的光線改變其結構，即從剛性物質轉變為柔軟物質，而且其也可以在受損時自行愈合。

    “這種材料的狀態可以來回的轉換，而且盡管它所有構成成分都是相同的，但是在每種狀態下，材料所表現的性能仿佛是不同材料才具備的。”麻省理工學院化學副教授，麻省理工學院的科赫綜合癌癥研究所和高分子和軟物質項目的成員，以及研究團隊的領導者Jeremiah Johnson這樣說道。

    Johnson說道，該材料由附著光敏分子的聚合物組成的，其中，這種光敏分子可改變材料內形成的化學鍵。而且這些材料可以應用于汽車或衛星等物體的涂層，使它們在受損后能夠自行愈合，然而，就目前，要實現這個應用可能還是一件很遙遠的事情。

    該論文發表在7月18日出版的《自然》雜志上，第一作者是麻省理工學院的研究生Yuwei Gu，其他作者是麻省理工學院的研究生Eric Alt，麻省理工學院化學助理教授Adam Willard，以及南佛羅里達大學的Heng Wang和Xiaopeng Li。

    可控的結構

    聚合物的許多特性，例如它們的剛度和它們的膨脹能力，都受其拓撲結構（材料組分的排列方式）的控制。通常，材料一旦形成，其拓撲結構就不能發生可逆地改變。例如，橡膠球通常是彈性的，在不改變其化學組成的情況下，橡膠球是不能變成脆性材料的。

    在這篇論文中，研究人員希望創建一種可以在兩種不同拓撲狀態之間可逆轉換的材料，而且這在以前的研究中是從未有過的。

    Johnson和他的同事意識到他們幾年前設計的一種材料“聚合物金屬有機籠子”，或叫“polyMOCs”，是有希望實現在兩種不同拓撲狀態之間可逆轉換的。PolyMOCs是由通過柔性聚合物接頭連接在一起的含金屬的籠狀結構組成。研究人員通過混合附著在被稱為配體的可以與金屬原子結合的基團上的聚合物來制造這些材料。

    在這種情況下，每個金屬鈀原子可以與四個配體分子形成鍵，形成具有不同鈀原子與配體分子比例的剛性籠狀簇。而且，鈀原子與配體的不同比率決定了籠子的大小。

    在這項新研究中，研究人員著手設計了一種可以在兩個不同大小的籠子（一個具有24個鈀原子和48個配體分子，一個具有3個鈀原子和6個配體分子）之間可逆轉換的材料。

    為實現這一目標，他們將一種名為DTE的光敏分子納入配體中。籠子的大小由配體上的氮分子與鈀形成的鍵的角度決定。當DTE暴露在紫外光下時，它在配體中成環狀，這會增加氮分子與鈀鍵合的角度的大小，使得簇破裂并形成更大的團簇。

    當研究人員用綠光照射材料（DTE）時，原本的環就會被破壞，氮分子與鈀鍵合的角度變小，進而重新形成較小的團簇。這個過程大約需要5個小時，而且在整個實驗中研究人員表示他們可以進行7 次逆轉換。然而，在逆轉換時，由于每次都會有小部分聚合物不能轉換，所以最終導致材料分離。

    當材料處于小簇狀態時，它變得柔軟了10倍且更具動態性。“在加熱時它們可以流動，這意味著其可以被切割，且在溫和加熱下，這種有切割造成的損傷會自行愈合。”Johnson說道。

    這種方法克服了通常發生在自愈材料上的權衡，即它們在結構上往往相對薄弱。在這種情況下，材料可以在較軟的自愈狀態和更剛性的狀態之間轉換。

    自愈合材料

    在這篇論文中，研究人員使用聚合物聚乙二醇（PEG）來制造它們的材料，然而，研究人員表示采用這種方法，任何種類的聚合物都可以用于剛性、柔性自由切換聚合物的制備。潛在的應用包括自愈材料。盡管這種方法被廣泛使用，鈀（一種稀有且昂貴的金屬）很可能被更便宜的替代品所取代。

    “任何由塑料或橡膠制成的東西，如果可以在損壞時自行愈合，那么就不必扔掉它了。更令人興奮的是，或許這種方法可以提供更耐久的材料。” Johnson說道。這些材料還有可能的應用于藥物遞送。Johnson表示：可以將藥物封裝在較大的籠子里，然后經綠燈照射，籠子打開，包載的藥物就會釋放出來了。而且在綠光照射下可以重新獲得藥物，這為可逆的藥物遞送提供了一種新方法。

    研究人員還致力于創建一種可以從固態可逆地切換到液態的材料，以及利用光在同一材料中同時創建具有柔軟和剛性兩部分的圖案。該研究獲得了美國國家科學基金會的資助。

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責任編輯：殷鵬飛

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