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受生物启发的水凝胶可快速切换到硬质塑料

北海道大学的研究人员已经开发出一种水凝胶,它的作用与聚合物基材料(如塑料瓶)通常相反:它们的材料在加热时会变硬,而在冷却时会变软。他们的发现发表在《先进材料》杂志上,可能导致制造用于交通和体育相关事故的防护服。

北海道大学的野山隆行和龚建平及其同事受到蛋白质如何在生物体内部保持稳定的影响,这些生物体在温泉和深海温泉等极端高温环境中生存。通常,加热会使蛋白质“变性”,从而改变其结构并破坏其键。但是,由于增强的静电相互作用(例如离子键),嗜热菌中的蛋白质在热下仍保持稳定。

该团队基于此概念开发了一种廉价,无毒的聚丙烯酸酯凝胶。将由聚电解质聚丙烯酸(PAAc)组成的凝胶浸入乙酸钙水溶液中。PAAc本身就像任何其他基于聚合物的材料一样,在加热时会软化。但是当添加乙酸钙时,PAAc的侧残基会与乙酸钙分子发生相互作用,其方式类似于嗜热蛋白内部发生的反应,从而导致PAAc的行为截然不同。

研究小组发现,随着温度的升高,它们最初的均匀凝胶会分离成聚合物致密的“相”和聚合物稀疏的“相” 。当其达到临界温度(在这种情况下约为60°C)时,致密相将发生明显的脱水,从而增强聚合物分子之间的离子键和疏水相互作用。这使材料从柔软的透明水凝胶迅速转变为刚性的不透明塑料。

加热后的材料比原始水凝胶坚硬1800倍,坚硬80倍,韧性20倍。通过交替加热和冷却材料,软硬转换是完全可逆的。此外,科学家可以通过调节成分的浓度来微调开关温度。

然后,他们证明了该材料与机织玻璃织物结合使用的可能性。这种新织物在室温下是柔软的,但是当以80 km / h的速度将其拉紧在沥青表面上5秒钟时,摩擦产生的热量使材料变硬,而在接触表面上仅形成很小的磨损。

野山孝之(Takayuki Nonoyama)说:“例如,由类似织物制成的衣服可用于在交通或体育相关事故中保护人们。我们的材料还可用作吸热窗户涂料,以保持室内环境凉爽。”

“这种聚合物凝胶可以很容易地由日常生活中常见的通用,廉价且无毒的原料制成。具体地说,聚丙烯酸用于一次性尿布中,而乙酸钙用于食品添加剂中,” Jian Ping Gong补充说。 。“我们的研究有助于新型温度响应聚合物的基础研究,以及对温度响应智能材料的应用研究。”

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