你被逮捕了! 運用手銬原理 製造柔韌並存材料

文/施奇廷 |2021.12.24
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你被逮捕了! 運用手銬原理 製造柔韌並存材料 圖/米各
你被逮捕了! 運用手銬原理 製造柔韌並存材料 圖/米各

文/施奇廷

在警匪劇的最後一幕中,經常是警察逮捕犯人,銬上手銬,犯人就逃不掉了。但你知道嗎?「手銬的原理」也能用來設計新的材料:「超級果凍」。

你喜歡吃果凍嗎?軟Q、溼潤、冰涼,輕輕一咬,果凍在口中碎裂,充滿果汁的香甜,是夏天消暑聖品。

不過你能想像有種類似果凍的材料,可以保有跟果凍一樣軟Q溼潤的特性,但是又堅固得不得了,連車子也壓不壞嗎?

含水量高 象壓不壞



英國劍橋大學的研究團隊,利用「分子手銬」,將高分子聚合物「銬」住,變成一種既柔軟又強韌,具有玻璃結構的「超分子網路」。這種材料,看起來真的就像塊果凍一樣,半透明且軟Q軟Q的,而且含水量高達80%。若是把它放在地上,連大象也踩不壞——不過若想在實驗室裡面牽頭大象,來做材料強度的實驗有點麻煩,所以研究員改用一台1200公斤的汽車,把這塊果凍來回碾壓12次。雖然過程中的壓縮率高達93%,不過材料卻毫髮無傷,並且在兩分鐘之內完全恢復原來的形狀。

長鏈互銬 增加韌度



一般的高分子材料,靠的是長鏈高分子之間互相糾纏所形成的網路而成,在較大的壓力下,受力的分子糾纏會被斷開。本研究中的「超分子網路」除了高分子間的長鏈,還利用一種稱為「葫蘆巴脲」(Cucurbituril)的水桶狀分子,讓數條高分子長鏈穿過這個「水桶」中央空心的部分,像手銬一樣,把這幾條高分子長鏈銬在一起,增加了網路的強韌程度;同時因為這些水桶分子並非鎖死不動,壓力下來時可以沿著長鏈往兩邊滑開,達到受力分散的效果,使得這種材料能兼顧柔軟與強韌兩種特性。

此材料能承受的壓縮應力在100MPa以上,強度跟你家的鑄鐵鍋差不多(130MPa)。咦?MPa是什麼?MPa就是每平方公分承受一噸重的力量。它的這些特性,讓這種材料可望能運用在許多領域,特別是在醫學上,可以用來當作「人工軟骨」,也可以拿來作「軟性機器人」,也就是「像人而不像機器」的機器人。相關研究發表於2021年11月25日的《自然材料科學》。

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