图为麻省理工学院的化学家设计的一种聚合物, 它既对光有感应且可从大结构可逆地切换成较小的蓝色状物体
麻省理工学院(MIT)的研究人员设计了一种通过改变结构以应对光线的聚合物材料, 使之从硬物质转化为在受损时可以自愈的柔性物质.
麻省理工学院的化学副教授Jeremiah Johnson, 是麻省理工学院科克综合癌症研究所(MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research)的一员, 也是聚合物和软物质项目研究小组的领导人. 他表示: '你可以来回切换材料的状态, 并且在每种状态下, 即使由相同成分构成也像完全不同的材料. '
Johnson提出, 这种材料由附着在感光分子上的聚合物组成, 这种分子可以用来改变材料内部形成的化学键. 虽然这种材料可以用来涂覆汽车或卫星等物体, 使它们在受损后能够愈合, 但是在未来这些应用还很遥远.
这篇发表在《Nature》杂志上的论文的第一作者是麻省理工学院研究生Yuwei Gu. 其他作者还有麻省理工学院研究生Eric Alt, 麻省理工学院化学助理教授Adam Willard, 南佛罗里达大学的Heng Wang和Xiaopeng Li.
聚合物的许多特性, 例如其硬度和膨胀能力, 都受其拓扑结构所控制, 即和材料的成分是如何排列有关的事. 通常, 材料一旦形成, 其拓扑结构就不能被可逆地改变. 例如, 橡胶球保持弹性并且在不改变其化学组成的情况下不能变脆.
在本论文中, Johnson和他的同事们想要创造一种从未有过的材料, 它可以在两种不同拓扑状态之间可逆地切换. 他们意识到他们几年前设计的一种聚合物金属有机笼状材料polyMOCs, 该材料是使之实现的有希望的候选者. PolyMOCs由通过柔性聚合物连接金属, 形成笼状结构.
研究人员通过混合附着在称为配体的基团上的聚合物来制造这些材料, 这些基团可以与金属原子结合. 每个金属原子(在这种情况下一般是金属钯)可以与四个配体分子成键, 形成具有不同钯与配体分子比例的刚性笼状簇. 这些比率决定了笼状簇的大小.
在这项新研究中, 研究人员打算设计一种可以在两个不同大小的笼状簇之间可逆切换的材料: 一个具有24个钯原子和48个配体, 一个具有3个钯原子和6个配体分子.
为实现这一目标, 他们将一种名为DTE的光敏分子纳入配体中. 笼子的大小由配体上的氮分子与钯形成的键的角度决定. 当DTE暴露在紫外光下时, 它在配体中形成环, 这增加了氮与钯键合的角度. 这使得簇破裂并形成更大的簇.
当研究人员在材料上发出绿光时, 环被破坏, 键角变小, 重新形成较小的团簇. 这个过程大约需要五个小时才能完成, 研究人员发现他们可以进行七次逆转. 每次逆转时, 总有一小部分聚合物不能逆转, 最终导致材料分离.
当材料处于小团簇状态时, 它是正常状态下柔性材料的的10倍且更具动态性. Johnson说: '它们可以在加热时流动, 这意味着你可以切割它们并且在温和的加热条件下自愈. '
这种方法克服了自修复材料通常会发生的问题, 即它们往往在结构上相对较弱. 在这种情况下, 材料可以在较软的自愈状态和更刚性的状态之间切换.
在这项研究中, 研究人员使用聚合物聚乙二醇 (PEG) 制造材料, 他们认为这种方法可以用于任何种类的聚合物 . 潜在的应用包括自愈材料, 尽管这种方法要想得到广泛应用, 钯这种稀有而昂贵的金属必须被一种更便宜的替代品所取代.
Johnson说, '任何由塑料或橡胶制成的东西, 如果它在损坏时可以修复, 那么就不必扔掉它. 也许这种方法能够使得材料具有更长寿命. '
这些材料的另一个可能应用是药物输送. Johnson认为将药物封装在更大的笼状结构里, 然后让它们暴露在绿光下使之打开并释放是可能的. 应用绿光线也可以使药物重新被捕获, 为可逆的药物输送提供一种新的方法.
研究人员还致力于创造能可逆地从固态转变为液态的材料, 并利用光在同一材料内产生柔性和刚性的图案.