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易碎才不易碎-材料科學新星:能自我修復的水膠

2012/11/29 | | 標籤:

撰文/卡司塔維奇(Davide Castelvecchi)

要使東西不易碎的秘訣,在於使它碎得徹底一點,至少在微觀尺度下要如此。像玻璃一樣脆的材料破碎時,只有沿著碎片斷面的分子參與,碎片內部幾乎不受影響。為了降低脆性,研究人員設計新材料時,應該要使應力可以傳播到斷面之下,才能有效阻止裂紋蔓延,讓物體從一剛開始就不容易斷裂。

美國哈佛大學的鎖志剛和合作者根據這個原理,發展出一種稱為水膠(hydrogel)的材料,成份是水和由長鏈高分子聚合物組成的網絡結構,後者類似蓋房子時使用的鷹架。鎖志剛的水膠具有橡膠特性,拉伸至原來的20倍也不會斷裂。相比之下,鎖志剛說:「一般的橡皮筋只能撐到六倍長。」這種新材料同時還具備顯著的韌性,能夠承受壓力、張力或衝擊而不斷裂。要弄斷這種水膠,所需的能量大約是類似材料的10倍。

以前的水膠比較缺乏韌性,容易像豆腐一樣碎開。鎖志剛設計的秘訣,在於水膠的鷹架包含了兩種不同的高分子。第一種來自藻類的碳水化合物長鏈,是由兩條單鏈分子藉著帶正電的鈣離子,像拉鍊般配對組合而成。

次要的鷹架材料則是藉由強力的鍵結搭建起來的合成高分子網絡。當這個新材料受到外力衝擊時,能量主要消耗在破壞藻類衍生的拉鍊結構,使鈣離子重新溶解到水中,次要的網絡會把剩餘的應力從裂紋表面分散到廣大的材料內部。一旦應力消失,鈣離子受到藻類鏈上的負電吸引,便自我修復,長鏈之間再度變成拉鍊。

雖然還不夠完備,但這個新的水膠材料所具備的強大韌性,已經足以應用在組織工程和義肢上。鎖志剛說:「今天,如果你的軟骨受損,是很難找到替代品的。」任何人工替代品都需要達到天然物的強韌。鎖志剛和合作者的研究,發表在9月6日的《自然》

日本北海道大學的龔劍萍說,要把水膠打破所需的能量「非常可觀」,她於2003年的工作開啟了雙網絡水膠的研究。然而龔劍萍也指出,這個新材料自我修復的程度還不夠完整,而且需要幾個小時稍嫌太慢。她認為要能實際應用,材料必須在更短時間內達到百分之百的修復。(洪艾彊 譯)

 

論文出處:Sun, Jeong-Yun, et al. “Highly stretchable and tough hydrogels." Nature 489.7414 (2012): 133-136.

刊載於《科學人》2012年第130期12月號

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關於作者

《科學人》雜誌-遠流出版公司於2002年3月發行Scientific American中文版,除了翻譯原有文章更致力於本土科學發展與關懷。