桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）的一個研究小組開發出一種分子，它有助於改變某些材料對溫度波動的反應方式，從而提高其耐用性。這項研究成果有望應用於從塑料手機殼到導彈等各種材料中。

聚合物（包括各種形式的塑料）由許多較小的分子粘合而成。這種粘合使它們特別堅固，是用於保護各種物品中易碎部件的理想產品。然而，隨著時間的推移、使用和暴露在不同的環境中，所有材料都會開始老化。

埃里克-納格爾展示他在桑迪亞國家實驗室的團隊開發的最新一批材料，他們正在努力複製一種改變聚合物傳統行為的分子。圖片來源：克雷格-弗里茨/桑迪亞國家實驗室

材料老化的最大因素之一是反復從高溫暴露到低溫，再從低溫暴露到高溫。大多數材料在加熱時會膨脹，在冷卻時會收縮，但每種材料都有自己的變化率。例如，聚合物的膨脹和收縮率最大，而金屬和陶瓷的收縮率最小。

複合材料面臨的挑戰

領導該團隊的材料科學家Erica Redline 說，大多數物品都是由一種以上的材料構成的。”以手機為例，它有一個塑料外殼，再加上一個玻璃屏幕，裡面還有構成電路的金屬和陶瓷，”Redline 說。”這些材料都是用螺絲、膠水或其他方式粘合在一起的，會以不同的速度膨脹和收縮，相互之間產生應力，時間長了就會導致開裂或翹曲”。她不斷從桑迪亞的許多客戶那裡聽到同樣的抱怨。

Redline說：”他們總是在談論熱膨脹不匹配的問題，以及他們現有的系統如何難以使用，因為他們需要添加各種填充物來進行補償。”

就這樣，Redline 的想法誕生了。

“我想，如果我創造出一種完美的材料，那會是什麼樣子呢？”在她的團隊查德-斯泰格（Chad Staiger）、傑森-杜格（Jason Dugger）、埃里克-納格爾（Eric Nagel）、庫希克-高什（Koushik Ghosh）、傑夫-福斯特（Jeff Foster）、肯尼斯-里昂（Kenneth Lyons）、阿拉娜-尹（Alana Yoon）以及學術聯盟合作者扎卡里亞-佩奇（Zachariah Page）教授和研究生梅根-基克（Meghan Kiker）的幫助下，Redline認為她已經做到了。

桑迪亞國家實驗室的化學家查德-斯泰格（Chad Staiger）使用分離漏斗去除分子合成過程中的副產物。圖片來源：克雷格-弗里茨/桑迪亞國家實驗室

行動中的分子

研究小組對分子進行了改良，使其可以很容易地融入聚合物中，從而改變其特性。這確實是一種獨特的分子，當加熱它時，它不會膨脹，反而會通過改變形狀而收縮。當它加入聚合物中時，會使聚合物的收縮程度降低，達到與金屬相似的膨脹和收縮值。有一種分子的行為與金屬相似，這是非常了不起的。

這種分子有無限的用途。聚合物可用作電子產品、通信系統、太陽能電池板、汽車部件、印刷電路板、航空航天應用、國防系統、地板等的保護塗層。

桑迪亞化學工程師傑森-杜格（Jason Dugger）說：”這種分子不僅解決了當前的問題，還為未來更多的創新開闢了設計空間，”他一直在研究潛在的應用，尤其是在國防系統中的應用。

這項發明的另一個關鍵在於，它可以在3D 打印中以不同的比例融入聚合物的不同部分。可以在一個區域打印出具有特定熱性能的結構，而在另一個區域打印出具有其他熱性能的結構，以匹配物品不同部分的材料。

另一個好處是通過消除重填料來減輕材料的重量。這將使我們能夠把東西做得更輕，以節省質量。例如，在發射衛星時，這一點尤為重要。我們能節省的每一克都非常有用。

雷德琳說，還有一位環氧樹脂配方設計師找到她，認為這種分子可以加入粘合劑中。

Chad Staiger、Kenneth Lyons、Erica Redline、Alana Yoon 和Eric Nagel（從左至右）是桑迪亞國家實驗室幫助提高材料耐用性的研究團隊成員。圖片來源：克雷格-弗里茨/桑迪亞國家實驗室

雖然研究小組只創造了少量這種分子，但他們正在努力尋找擴大生產規模的方法，以便其他桑迪亞研究人員能夠測試這種分子，以滿足任務需要。桑迪亞的有機化學家查德-斯泰格（Chad Staiger）負責製造這種分子。他說，他需要花費大約10 天的時間來製造7-10 克的分子。

“不幸的是，這種分子的合成過程很長，”斯泰格說。”更多的步驟意味著更多的時間和金錢。在製藥等價值較高的材料中，通常需要五到六個步驟的合成。在聚合物領域，越便宜越有利於大規模應用。”

該團隊正利用桑迪亞技術成熟計劃提供的10萬美元資金，努力減少合成步驟。