圖為麻省理工學院的化學家設計的一種聚合物, 它既對光有感應且可從大結構可逆地切換成較小的藍色狀物體
麻省理工學院(MIT)的研究人員設計了一種通過改變結構以應對光線的聚合物材料, 使之從硬物質轉化為在受損時可以自愈的柔性物質.
麻省理工學院的化學副教授Jeremiah Johnson, 是麻省理工學院科克綜合癌症研究所(MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research)的一員, 也是聚合物和軟物質項目研究小組的領導人. 他表示: '你可以來回切換材料的狀態, 並且在每種狀態下, 即使由相同成分構成也像完全不同的材料. '
Johnson提出, 這種材料由附著在感光分子上的聚合物組成, 這種分子可以用來改變材料內部形成的化學鍵. 雖然這種材料可以用來塗覆汽車或衛星等物體, 使它們在受損後能夠癒合, 但是在未來這些應用還很遙遠.
這篇發表在《Nature》雜誌上的論文的第一作者是麻省理工學院研究生Yuwei Gu. 其他作者還有麻省理工學院研究生Eric Alt, 麻省理工學院化學助理教授Adam Willard, 南佛羅里達大學的Heng Wang和Xiaopeng Li.
聚合物的許多特性, 例如其硬度和膨脹能力, 都受其拓撲結構所控制, 即和材料的成分是如何排列有關的事. 通常, 材料一旦形成, 其拓撲結構就不能被可逆地改變. 例如, 橡膠球保持彈性並且在不改變其化學組成的情況下不能變脆.
在本論文中, Johnson和他的同事們想要創造一種從未有過的材料, 它可以在兩種不同拓撲狀態之間可逆地切換. 他們意識到他們幾年前設計的一種聚合物金屬有機籠狀材料polyMOCs, 該材料是使之實現的有希望的候選者. PolyMOCs由通過柔性聚合物連接金屬, 形成籠狀結構.
研究人員通過混合附著在稱為配體的基團上的聚合物來製造這些材料, 這些基團可以與金屬原子結合. 每個金屬原子(在這種情況下一般是金屬鈀)可以與四個配體分子成鍵, 形成具有不同鈀與配體分子比例的剛性籠狀簇. 這些比率決定了籠狀簇的大小.
在這項新研究中, 研究人員打算設計一種可以在兩個不同大小的籠狀簇之間可逆切換的材料: 一個具有24個鈀原子和48個配體, 一個具有3個鈀原子和6個配體分子.
為實現這一目標, 他們將一種名為DTE的光敏分子納入配體中. 籠子的大小由配體上的氮分子與鈀形成的鍵的角度決定. 當DTE暴露在紫外光下時, 它在配體中形成環, 這增加了氮與鈀鍵合的角度. 這使得簇破裂並形成更大的簇.
當研究人員在材料上發出綠光時, 環被破壞, 鍵角變小, 重新形成較小的團簇. 這個過程大約需要五個小時才能完成, 研究人員發現他們可以進行七次逆轉. 每次逆轉時, 總有一小部分聚合物不能逆轉, 最終導致材料分離.
當材料處於小團簇狀態時, 它是正常狀態下柔性材料的的10倍且更具動態性. Johnson說: '它們可以在加熱時流動, 這意味著你可以切割它們並且在溫和的加熱條件下自愈. '
這種方法克服了自修複材料通常會發生的問題, 即它們往往在結構上相對較弱. 在這種情況下, 材料可以在較軟的自愈狀態和更剛性的狀態之間切換.
在這項研究中, 研究人員使用聚合物聚乙二醇 (PEG) 製造材料, 他們認為這種方法可以用於任何種類的聚合物 . 潛在的應用包括自愈材料, 儘管這種方法要想得到廣泛應用, 鈀這種稀有而昂貴的金屬必須被一種更便宜的替代品所取代.
Johnson說, '任何由塑料或橡膠製成的東西, 如果它在損壞時可以修複, 那麼就不必扔掉它. 也許這種方法能夠使得材料具有更長壽命. '
這些材料的另一個可能應用是藥物輸送. Johnson認為將藥物封裝在更大的籠狀結構裡, 然後讓它們暴露在綠光下使之開啟並釋放是可能的. 應用綠光線也可以使藥物重新被捕獲, 為可逆的藥物輸送提供一種新的方法.
研究人員還致力於創造能可逆地從固態轉變為液態的材料, 並利用光在同一材料內產生柔性和剛性的圖案.