【行業動態】新工藝縮小了天然材料與合成材料之間的差距,實現了多...

2020-12-04 澎湃新聞

【行業動態】新工藝縮小了天然材料與合成材料之間的差距，實現了多種用途

2020-11-23 07:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

皮膚、軟骨和肌腱等天然物質足夠堅韌，能夠支撐我們的體重和運動，但又足夠柔韌，不易斷裂。雖然我們認為這些特性是理所當然的，但在合成材料中複製這種獨特的組合比聽起來要困難得多。現在，EPFL的科學家們已經開發出一種製造強而柔軟的複合聚合物的新方法，這種複合聚合物更接近於自然界中發現的材料。發表在《高級功能材料》上的一篇論文描述了他們的這項突破，可能會在軟機器人和軟骨假體植入等領域得到應用。

通常，合成水凝膠分為兩種不同的材料類別。第一種，包括窗戶玻璃和一些聚合物，很硬，有承重能力，但吸收能量的能力很差:即使是最輕微的裂縫也能在結構中擴散。第二組的材料更能抵抗開裂，但有一個代價:它們非常柔軟——事實上，柔軟到不能承受重物。然而，一些由生物材料和蛋白質(包括膠原蛋白)組合而成的天然化合物既堅固又抗裂。它們的這些特性歸功於其高度精確的結構，從納米到毫米級:例如，編織纖維被組織成更大的結構，然後再組織成其他結構，以此類推。

研究人員說:「要在這麼多不同尺度上控制合成材料的結構，我們還有很長的路要走。」研究人員已經設計出一種新的方法來建造合成複合材料，他們從自然世界中得到啟示。「在自然界中，基本的構建塊被封裝在隔間中，然後以高度本地化的方式釋放出來。這個過程對材料的最終結構和局部成分提供了更大的控制。」

首先，科學家將單體封裝在水油乳液的小滴中，這些小滴充當隔室。在液滴內部，單體結合在一起形成一個聚合物網絡。在這一點上，微粒子是穩定的，但它們之間的相互作用很弱，這意味著材料不能很好地結合在一起。接下來，這些像海綿一樣多孔的微粒子被浸泡在另一種單體中，然後材料被還原成一種糊狀物。它的外觀，有點像溼沙，可以形成沙堡。

然後，科學家們用3d技術列印出糊狀物，並將其暴露在紫外線輻射下。這使得在第二步加入的單體發生聚合。這些新的聚合物與早期形成的聚合物纏繞在一起，從而硬化了漿料。這就產生了一種非常堅固耐磨的材料。研究小組表明，直徑僅為3毫米的鋼管可以承受10公斤的拉伸載荷和80公斤的壓縮載荷，而不會損害其結構完整性。

他們的發現在軟機器人領域具有潛在的用途，在這種機器人中，模仿活體組織特性的材料非常受歡迎。這一開創性的過程也可以應用於開發軟骨假體植入物的生物相容性材料。

文章來源：賢集網

原標題：《【行業動態】新工藝縮小了天然材料與合成材料之間的差距，實現了多種用途》

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