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海蚌是世界上吸附力最强的动物之一。它们在被海浪不断拍打时,仍然可以紧紧黏在滑溜的岩石表面。最近,研究人员设计出了一种聚合物,如果这些海蚌知道这件事,它们一定会感到自豪。这种聚合物(像海蚌一样)弹性非常强,同时韧性又强,可能让人们发明出一种粘合力极强的塑料胶,足以粘合(本来很不好粘的)两种不同材料(如木头和金属)。这种塑料胶,在受损后还会自动恢复原状。

多年以来,材料科学家们制作一些橡胶绳一样弹性大的聚合物材料。这些聚合物材料受力后拉伸,不受力又可以恢复原形;其内部是锁链一样的长分子结构。为了生产出这些聚合物材料,科学家们一直使用以下两种策略。

紧紧黏在海边岩壁上的海蚌

第一种策略,也是最常用的一种策略,是打造不同聚合物分子链组成的共价(共用原子)化学链接,就像把一堆分散的意大利面编织成一个松散的三维网。这样的分子结构比较坚固,受力时不容易被撕碎。但是这种分子结构的韧性不够强,如果用太大的力拉它,它还是会像被拉得太厉害的橡胶绳一样断掉。

另一种策略是让两根分开的聚合物分子结构分别带上电荷,一根带正负荷,另一根带负荷,这样两根聚合物就会连在一起,形成一个松散的网络。这样制成的聚合物材料就比第一种策略制成的聚合物材料更有弹性。在受到拉力时,本来连接在一起的两根聚合物分子结构会分开,聚合物材料会被拉长;在拉力消失时,两根聚合物分子结构因为正负电荷相吸而重新连在一起,聚合物材料又会缩短,自动恢复原形。

海蚌的身体兼具以上两种策略的优点。最近几年,研究人员开始想模仿海蚌,采用兼具以上两种策略有点的第三种策略:在本来就具有共价(共用原子)化学链接的像柔软果冻一样的聚合物分子结构上再加上一种叫“邻苯二酚”的带负电荷的分子。然后再用一些带有正电荷的铁原子溶解到聚合物溶液中,铁原子会和 “邻苯二酚”分子结合,使得独立的聚合物分子结构进一步内部粘结,从而使本来像柔软果冻一样的聚合物分子结构变得更加坚韧些。

加州大学的一位材料科学家瓦伦婷表示,存在一个问题:之前聚合物材料都是在水中生产的,而用以上第三种策略生产出来的这种新型聚合物材料遇水会像海绵一样膨胀变形。这导致刚刚生产出来的聚合物材料就因为吸水而膨胀到接近承受极限了,如果再受到一点拉力,就会断掉。

“聚乙烯乙二醇”分子结构

为了解决这个问题,瓦伦婷就开始尝试能不能改进一下制造方法。他们选择了一种名字叫“聚乙烯乙二醇”的带有共价链连接的聚合物材料,然后往里添加带有负电荷的“邻苯二酚”。不过,“邻苯二酚”单独处于空气或水中时,容易先和氧气发生化学反应。为了防止这种情况发生,瓦伦婷等人先给“邻苯二酚”包上一层防护层,到马上要把“邻苯二酚”往“聚乙烯乙二醇”里面加之前,才用酸液除去那层保护层。往“聚乙烯乙二醇”里加完“邻苯二酚”后,再喷洒铁原子。铁原子会和“邻苯二酚”反应,从而给“聚乙烯乙二醇”再添一重加固的链接结构。

最后一步是让聚合物材料干燥脱水。完成脱水操作后,新材料就制成了。科学家们测试了这种材料的强度,结果发现,用以上新方法制成的聚合物材料,坚硬度是“聚乙烯乙二醇”的100到1000倍,同时又很有弹性。“聚乙烯乙二醇”柔软如果冻,而新材料没有那么软,像皮革一样,又硬又坚韧。单论坚硬度,这种新材料不是市场上最坚硬的。单论弹性,这种材料也不是市场上最有弹性的。但是这种经过两道工序(先加“邻苯二酚”再加铁原子)所取得的又硬又弹的效果,是其他一些只用一道工序的处理方法所很少能够取得的。

法国的一位材料科学家认为能把聚合物的坚硬度提高这么多是很了不起的,下一步应该研究对其他聚合物,如果采用这种新策略来处理,是否也可以加强其他聚合物的硬度。

宾夕法尼亚大学的另一位材料学家认为这种新策略的通用性是比较强的,肯定不只适用于“聚乙烯乙二醇”,对别的聚合物也适用。

瓦伦婷认为,实验已经表明,一些普通“聚乙烯乙二醇”材料,遇到拉力会断裂。新型“聚乙烯乙二醇”材料,遇到同样的拉力不会断裂,这说明这种新型“聚乙烯乙二醇”材料已经可以用于制造耐磨损的人造肌腱、人造关节,供生产机器人使用。

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