多功能强力“玻璃凝胶”或成为材料新宠儿

图片为玻璃凝胶。它具有极高的延展性、黏性、高韧性和抗断裂等特性，且只需在热水中就能恢复原状。(Meixiang Wang/NCSU)

虽然玻璃状聚合物拥有坚硬和坚固的特性，但缺点是延展性有限且易碎。美国一所大学利用特殊的溶剂开发出一款“玻璃凝胶”，有效改善玻璃状聚合物的缺点，使其拥有玻璃和凝胶的理想特性。

玻璃状聚合物的机械性质对于许多消费品都很重要，聚合物链之间很强的相互作用使其具有很高的刚性和强度。不过，凝胶中的溶剂会降低聚合物链之间的相互作用，软化聚合物网络，从而降低其机械性能。例如，隐形眼镜就是用遇水会膨胀的聚合物凝胶制作而成的。

因此，科学们想将玻璃状聚合物和凝胶聚合物融合一起，做出一种既坚固又有弹性的新型材料。美国北卡罗来纳州立大学的研究人员从溶剂下手，研发出一种具有抗断裂、高韧性、高形变特性的“玻璃凝胶”。这种材质还可以透过短暂加热使其快速复原，具有黏合、自我修复和形状记忆特性。这项结果于6月19日发表在《自然》杂志上。

这种玻璃凝胶是在“离子液体”与“聚合物”物质之间，形成一种强烈的非共价键相互作用，即物体不依赖电子间的共享，只依赖电子间的吸引力。

开始研究人员先拿一块不含溶剂的1平方公分大小的丙烯酸（PAA）进行压力试验，以测试其机械性能。结果显示，不含溶剂的丙烯酸，可以负重4,000克且很坚硬，但是容易破碎。

然后他们将这1平方公分大小的丙烯酸加入离子液体溶剂（PP），使其成为玻璃状凝胶状态后再进行压力试验。结果显示，它依然可以负重4,000克，不但变得更加坚硬，而且还富有极高的延展性。另外，若单纯地让丙烯酸加水变成凝胶，只能让它变得柔软具有弹性，但负重只有20克。

为了找出丙烯酸与离子液体溶剂最合适状态，他们做了多种浓度单体的丙烯酸加入适量的离子液体溶剂制成玻璃凝胶的试验。结果发现，这些不同浓度的丙烯酸不仅都有高度聚合转换反应（大于94%），且成形的玻璃凝胶都具有很高的透明度。

另外，这些玻璃凝胶体的溶剂含量，达到整体重量的54%以上，但挥发性要比传统只含水的丙烯酸凝胶还要低，不容易出现蒸发或干燥的状况，且伸性能要比含水的丙烯酸出色得多。他们还发现，若增加单体丙烯酸的浓度可以增加其强度和韧性，且还可以支撑自重200倍以上的重量。

除此之外，研究人员还发现这种玻璃状凝胶的机械性能，可以与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯、增塑聚氯乙烯（PVC）相匹敌，承受外部压力的能力与聚乙烯（PE）热塑性塑胶类似，且该物质只需在80°C的环境下加热不到一分钟，就可以快速恢复成原形。

研究还显示，玻璃状凝胶可以用各种不同的聚合物和离子液体制成，且机械性能与普通塑胶相似，不过并非所有类别的聚合物都可以用来制造玻璃状凝胶。

该研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系教授迈克尔‧迪基（Michael Dickey）对该校的通讯室解释道，“带电或拥有极性的聚合物，才有可能成为玻璃状凝胶，因为它们容易被离子液体吸引。”

另外，实验人员表示，玻璃状凝胶除了拥有出色的机械性能外，还有卓越的黏合性能、形状记忆、自我修复能力，且还有一定的电导率。因此，这些材料可以在电子、电池和感测器中找到应用价值。

该论文的共同第一作者、该校研究员博士后王美洋（Meiyang Wang，音译）则表示，“玻璃状凝胶与普通凝胶的关键区别，在于它们的液体含量超过50%，使得它的导电性要比有类似物理特性的塑料更好。这个结果让我们对这些材料的用途感到乐观。”

他们还认为，玻璃状凝胶具有实际应用的前景，因为它们可以在任何类型的模具中固化或透过3D打印来完成制造。

迪基教授表示，“我们创造的玻璃状凝胶，不仅和玻璃状聚合物一样坚硬，还能被拉长五倍也不会断裂。更重要的是这种材料被拉伸后，可以透过加热恢复到原来的形状。此外，玻璃状凝胶的表面具有高度的黏合性，这对于硬质材料来说是不可思议的。”

他补充说，也许玻璃状凝胶最有趣的特性是它们的黏性，很期待看到如何使用玻璃状凝胶，并确定其应用方式。

这种材料未来有望用于3D建模和一些柔软的机械爪上，因此在电子、医疗设备等行业具有很高的应用潜力。