一朵「鮮花」在材料學研究者的實驗室裡徐徐綻放,它的真身其實是一種新型凝膠材料,它可以按照人們設置好的方式改變自己的形狀。

在玻璃水槽裡,一朵「鮮花」徐徐綻放。它的三層花瓣逐一打開,先是外層的紅色花瓣,然後是中間的淡紫色部分,最後,橙色的內層花瓣也舒展開來。這朵幾公分大的「花蕾」共用了約兩個小時完全綻放。

實驗室裡綻放的「花朵」,右下角所示的是實際用時。/ 原影片來自:參考文獻1。

不過當然,這並不是一朵真正的花,它誕生在材料學研究者的實驗室裡。除去額外的人工染色,這朵花蕾的真身其實是一片片白色的凝膠材料。在實驗室裡,它展示著自己的變形能力。

在過去,人們就已經開發出了各種各樣的變形材料和形狀記憶材料。比如說,那些加熱之後就可以恢復原形的「形狀記憶合金」。不過,要想讓材料改變形狀,一般還需要一些外界因素激發,比如說溫度變化。而這一次,研究者們研發的凝膠材料不需藉助「外力」——它們在經過變形處理之後,可以暫時保持新形狀,之後再自己完成形狀恢復。

凝膠變形的秘密來自其中的兩種鍵合作用:一個是牢固的共價鍵,另一個是更容易打破和重建的氫鍵作用。在這種凝膠材料裡,共價鍵保障了基本的網絡結構,並且提供了彈性,而氫鍵則提供了「臨時塑形」的作用。在外力作用下變形之後,原本的氫鍵被破壞,在新的位置上生成了新的氫鍵,這些新生成的氫鍵可以暫時對抗回彈,而當它們「堅持不住」時,凝膠又會逐漸恢復原狀。透過對凝膠網絡中共價鍵和氫鍵的調整,還可以控制凝膠變形的時間。

共價交聯(紅色)與氫鍵(藍色)結合,賦予了材料延遲回彈的性能。/ 圖片來自:參考文獻1。

除此之外,研究者們還有一種簡單但有效的方法進一步控制變形過程。他們在對凝膠進行變形處理時,會在空氣中讓凝膠表面稍加乾燥,形成一層「脫水層」。這樣可以進一步加固臨時形成的形狀,在變乾的凝膠重新進入水環境之後,它們才會再度恢復原狀。

用這種材料製成的「小盒子」逐漸展開,研究者事先按順序在每個摺痕處進行了時間不等的處理。/ 原影片來自:參考文獻1。

「當我第一次看到這朵花時,感到相當驚訝。它看起來如此栩栩如生,」領導了這項研究的高分子化學教授謝伊科(Sergei Sheiko)表示,「這是一片沒有生命的材料。如果去掉顏料,它只是白色的聚合物而已。這就彷若是我們給材料賦予了生命。」

在實驗室裡做出自動打開的小盒子與花朵顯得很有趣,不過這種凝膠也不只是科學家的玩物。研究者希望,這樣不借助外界激發就可以「變形」的材料能夠用來研發新型的醫療植入物。

參考資料:

1. http://www.nature.com/articles/ncomms12919

2. https://www.theguardian.com/science/2016/sep/27/this-delicate-flower-was-created-in-a-lab-and-could-revolutionise-surgery

撰文:芸香

編輯:窗敲雨

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