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2019-12-06 | 科技新報

新型水凝膠材料遇熱瞬間硬化 1,800 倍,一條細絲能提起 10 公斤啞鈴

新型水凝膠材料遇熱瞬間硬化 1,800 倍,一條細絲能提起 10 公斤啞鈴

有沒有一種特殊服裝,可以在遇到交通事故時瞬間硬化保護人體?日本北海道大學團隊開發出一種新的水凝膠材料,冷卻時柔軟,加熱後則硬度、強度、韌性瞬間提升,在實驗中僅僅一條細絲就能提起 10 公斤重的啞鈴。研究人員表示,新型水凝膠能應用在與交通或運動有關的紡織材料上,比如賽車服、運動防護服等。
新型水凝膠材料遇熱瞬間硬化 1,800 倍,一條細絲能提起 10 公斤啞鈴

凝膠(gel)是一種類似果凍的固體材料,它可以很柔軟也可以很堅硬,而水凝膠(Hydrogel)是以水為分散介質的凝膠,在室溫下,水凝膠軟而透明。然而人工合成水凝膠通常有些缺點,比如吸水效果差,因此科學家近年投入大量研究心力開發各種新型水凝膠,如:拓撲型水凝膠、雙網絡結構水凝膠、複合水凝膠、大分子微球複合水凝膠、疏水締合凝膠、均一鏈結構水凝膠等。

而最近日本北海道大學生物科學家 Takayuki Nonoyama、Jian Ping Gong 團隊,受到嗜熱菌中天然蛋白的啟發,開發出一種廉價、無毒的聚丙烯酸水凝膠,當溫度加熱至 60℃ 時,能提起重達 10 公斤的啞鈴。

新型水凝膠材料遇熱瞬間硬化 1,800 倍,一條細絲能提起 10 公斤啞鈴

▲ 水凝膠在室溫下與加熱後的變化。

嗜熱菌人如其名,常生活在溫泉或深海火山等極端高溫的環境中,一般來說,高溫會導致蛋白質「變性」,從而改變其結構並破壞鍵合,然而嗜熱菌中的蛋白質因增強的靜電相互作用(例如離子鍵),在高溫下依然維持穩定結構。

研究人員基於這種概念,將由聚電解質聚丙烯酸(polyelectrolyte poly (acrylic acid),PAAc)組成的凝膠浸入乙酸鈣水溶液中,PAAc 本身就像其他聚合物材料一樣會在加熱時變軟,然而當添加乙酸鈣時,PAAc 與乙酸鈣分子相互作用,其方式類似嗜熱菌蛋白內部發生的反應,從而導致 PAAc 出現截然不同的行為。

團隊發現,隨著溫度升高,最初均勻的凝膠會分離成緻密的「相」和稀疏的「相」。當達到臨界溫度(約 60℃)時,緻密相開始明顯脫水,從而增強聚合物分子之間的離子鍵和疏水性作用,這種轉變促使材料從柔軟、透明的水凝膠迅速轉變為剛性的不透明材料。

▲ 水凝膠遇熱硬化的分子結構與機理。

加熱後的新型水凝膠硬度比原始水凝膠高 1,800 倍(材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力),強度提高 80 倍(材料在外力作用下抵抗破壞的能力),韌性則提高 20 倍(材料承受應力時抵抗折斷的能力),並且水凝膠軟硬變化完全可逆。

接著研究人員將新凝膠與玻璃纖維(glass fabric)織物結合,以每小時 80 公里的速度在瀝青表面拉動 5 秒鐘,發現摩擦產生的熱量立刻使材料變硬,且織物與瀝青接觸的表面沒有太大磨損。

瀝青即鋪路材料,Takayuki Nonoyama 表示,這種結合新凝膠的織物與瀝青表面摩擦後會快速硬化,能在發生交通事故或激烈運動中為人體提供額外保護力,賽車手和運動選手也許有需求;此外,材料也能與窗戶材料結合,用來吸收熱量保持建築物內部涼爽。

新論文發表在《先進材料》(Advanced Materials)期刊。

Bio-inspired hydrogel can rapidly switch to rigid plastic
Thermophile-inspired gel gets 1,800 times harder when heated

(圖片來源:北海道大學)

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