維吉尼亞大學工程與應用科學學院的科學家們開發了一種突破性的新型聚合物設計，顛覆了人們長期以來認為硬度較高的聚合物材料一定伸縮性較差的看法。材料科學與工程和化學工程助理教授蔡立恆說：”我們正在解決一個自1839 年硫化橡膠發明以來一直被認為不可能解決的根本性難題。”

透過交聯可折疊瓶刷聚合物形成的網路藝術效果圖，這種聚合物的特徵是在塌陷的骨架上接枝了許多柔性線性側鏈。 資料來源：維吉尼亞大學工程與應用科學學院蔡立恆、黃百強/軟性生物物質實驗室

當時，查爾斯-古德伊爾（Charles Goodyear）意外地發現，用硫磺加熱天然橡膠會在股狀橡膠分子之間產生化學交聯。 這種交聯過程形成了聚合物網絡，將在高溫下熔化和流動的黏性橡膠轉變為耐用的彈性材料。從那時起，人們就一直認為，如果想讓聚合物網絡材料變得堅硬，就必須犧牲一些伸展性。

現在，由博士生黃百強領導的蔡團隊用他們的新型”可折疊瓶刷聚合物網絡”推翻了這一觀點。 他們的研究成果獲得了美國國家科學基金會CAREER獎的資助，並刊登在11月27日出版的Science Advances雜誌封面上。

“拉力測試”展示了傳統聚合物網絡在拉力作用下的分解速度。 資料來源：維吉尼亞大學工程與應用科學學院蔡立恆、黃百強/軟生物物質實驗室解耦”剛度與彈性

黃說：『這種限制阻礙了需要同時具備可拉伸性和剛性的材料的發展，迫使工程師在選擇一種特性時犧牲另一種特性，想像一下，心臟植入物會隨著每次心跳而彎曲，但仍能使用數年。 “

交聯聚合物在我們使用的產品中隨處可見，從汽車輪胎到家用電器，它們越來越多地用於生物材料和醫療保健設備。團隊設想的材料應用領域包括義肢和醫療植入物、改進型可穿戴電子設備，以及需要反覆彎曲和伸展的軟機器人系統的”肌肉”。

剛度和延展性–一種材料在不斷裂的情況下可以伸展或膨脹的程度–是相互關聯的，因為它們源自相同的結構單元：透過交聯連接的聚合物鏈。 傳統上，增強聚合物網絡剛度的方法是增加交聯。

這雖然能使材料變得更硬，但並不能解決硬度-拉伸性之間的權衡問題。 具有更多交聯的聚合物網絡更堅硬，但它們沒有相同的變形自由，拉伸時容易斷裂。

蔡說：”我們的團隊意識到，透過設計可在自身結構中儲存額外長度的可折疊瓶刷聚合物，我們可以’解耦’剛度和延展性–換句話說，在不犧牲剛度的情況下建立可拉伸性。

使用蔡實驗室的”可折疊瓶刷聚合物網絡”製成的聚合物材料，其拉伸性能是傳統交聯聚合物材料的40倍。 資料來源：維吉尼亞大學工程與應用科學學院蔡立恆、黃百強/軟生物物質實驗室可折疊設計的工作原理

蔡設計的結構並不是線性聚合物鏈，而是類似於”瓶花”–許多柔性側鏈從中心骨架向外輻射。

最關鍵的是，骨架可以像手風琴一樣隨著拉伸而折疊和展開。 當材料被拉動時，聚合物內部隱藏的長度就會展開，使其伸長率達到標準聚合物的40 倍而不會減弱。

同時，側鏈決定剛度，這意味著剛度和拉伸性最終可以獨立控制。這是一種”通用”的聚合物網絡策略，因為構成可折疊瓶套聚合物結構的成分並不局限於特定的化學類型。

維吉尼亞大學材料科學與工程系博士生黃百強（左）與維吉尼亞大學助理教授蔡立恆。 圖片來源：維吉尼亞大學工程與應用科學學院Matt Cosner

例如，他們設計的一種側鏈使用的聚合物即使在低溫下也能保持柔韌性。 然而，使用一種不同的合成聚合物（一種常用於生物材料工程的聚合物）來製造側鏈，可以產生一種能模擬活組織的凝膠。

與蔡研究員實驗室開發的許多新型材料一樣，這種可折疊的bottomlebrush聚合物可進行3D列印。 即使與無機奈米粒子混合也是如此，無機奈米粒子可被設計成具有複雜的電、磁或光學特性。

例如，他們可以添加導電奈米粒子，如銀或金奈米棒，這對可拉伸和穿戴式電子產品至關重要。這些成分為我們提供了無盡的選擇，讓我們可以設計出兼顧強度和可拉伸性的材料，同時根據特定要求利用無機奈米粒子的特性。

編譯自/ ScitechDaily