來自麻省理工學院和杜克大學的化學家團隊發現了一種違反直覺的方法來增強聚合物的強度：在材料中引入一些較弱的鍵。研究人員使用一種稱為聚丙烯酸酯彈性體的聚合物，發現只需使用較弱類型的交聯劑加入一些聚合物構件，即可將材料的抗撕裂性提高十倍。

這些類橡膠聚合物通常用於汽車零部件，也經常用作3D 打印物體的“墨水”。研究人員目前正在探索將這種方法擴展到其他類型材料的可能性，例如橡膠輪胎。

麻省理工學院化學教授耶利米·約翰遜(Jeremiah Johnson) 表示：“如果你能讓橡膠輪胎的抗撕裂能力提高10 倍，這可能會對輪胎的使用壽命和脫落的微塑料廢物量產生巨大影響。” 該研究的資深作者之一，該研究於6 月22 日發表在《科學》雜誌上。

當這種聚合物網絡被拉伸時，較弱的交聯鍵（藍色）比任何強聚合物鏈更容易斷裂，從而使裂紋更難以在材料中傳播。圖片來源：研究人員提供，由麻省理工學院新聞編輯

這種方法的一個顯著優點是它似乎不會改變聚合物的任何其他物理特性。“聚合物工程師知道如何使材料變得更堅韌，但這總是涉及到改變材料的一些其他你不想改變的特性。 在這裡，韌性的增強沒有任何其他物理特性的顯著變化——至少我們可以測量到——並且它是通過僅替換整體材料的一小部分來實現的。” 杜克大學也是該論文的資深作者。

該項目源於約翰遜、克雷格和杜克大學教授邁克爾·魯賓斯坦（Michael Rubinstein）之間的長期合作，邁克爾·魯賓斯坦也是該論文的資深作者。該論文的主要作者是麻省理工學院的博士後王舒，他在杜克大學獲得了博士學位。

最薄弱的環節

聚丙烯酸酯彈性體是由通過分子連接在一起的丙烯酸酯鏈製成的聚合物網絡。這些構建塊可以以不同的方式連接在一起，以創建具有不同屬性的材料。

這些聚合物經常使用的一種結構是星形聚合物網絡。這些聚合物由兩種類型的結構單元製成：一種是具有四個相同臂的星形結構，另一種是充當連接體的鏈。這些連接器與恆星每條臂的末端結合，形成一個類似於排球網的網絡。

在2021 年的一項研究中，克雷格、魯賓斯坦和麻省理工學院教授布拉德利·奧爾森聯手測量了這些聚合物的強度。正如他們所預期的那樣，他們發現當使用較弱的末端連接體將聚合物鏈固定在一起時，材料會變得更弱。這些較弱的連接體含有稱為環丁烷的環狀分子，與通常用於連接這些結構單元的連接體相比，可以用小得多的力來破壞這些較弱的連接體。

作為該研究的後續行動，研究人員決定研究一種不同類型的聚合物網絡，其中聚合物鏈在隨機位置與其他鏈交聯，而不是在末端連接。

這次，當研究人員使用較弱的連接體將丙烯酸酯構件連接在一起時，他們發現該材料變得更耐撕裂。

研究人員認為，這種情況的發生是因為較弱的鍵隨機分佈在整個材料中的強鏈之間，而不是最終鏈本身的一部分。當這種材料被拉伸到斷裂點時，任何穿過材料傳播的裂紋都會試圖避開較強的鍵，而通過較弱的鍵。這意味著與所有鍵強度相同時相比，裂紋必須破壞更多的鍵。

“儘管這些鍵較弱，但更多的鍵最終需要被打破，因為裂縫會穿過最弱的鍵，最終會成為一條更長的路徑，”約翰遜說。

堅韌材料

通過這種方法，研究人員發現，摻入一些較弱連接基的聚丙烯酸酯比採用較強交聯分子製成的聚丙烯酸酯更難撕裂9 至10 倍。即使弱交聯劑僅佔材料總成分的2% 左右，也能實現這種效果。

研究人員還表明，這種改變的成分不會改變材料的任何其他特性，例如加熱時的抗分解性。

約翰遜說：“兩種材料在網絡層面具有相同的結構和相同的性能，但在撕裂方面卻具有幾乎數量級的差異，這是非常罕見的。”

研究人員目前正在研究這種方法是否可以用於提高包括橡膠在內的其他材料的韌性。“關於其他類型的材料可以獲得何種程度的增強以及如何最好地利用它，還有很多值得探索的地方，”克雷格說。