复合材料工程的新方法：聚合物设计将强度与可逆性相结合

环氧树脂等复合粘合剂是连接和填充木材、金属和混凝土等材料的优秀工具。但有一个问题：一旦合成集，它就会永远存在。现在有更好的办法了。研究人员开发了一种简单的聚合物，可以作为一种坚固稳定的填料，以后可以溶解。它的工作原理就像一个缠结的纱线球，当拉动时，会散开成单独的纤维

能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员领导的一项新研究概述了一种在材料中设计伪键的方法。分子链以一种完全可逆的方式缠结，而不是形成化学键，这正是环氧树脂和其他复合材料如此坚韧的原因。这项研究发表在《先进材料》杂志上

“这是一种全新的固化材料的方法。我们开辟了一条不符合传统方法的复合材料新途径，”伯克利实验室资深科学家、该研究的主要作者之一Ting Xu说

传统上，有两种方法可以使聚合物材料坚固耐用。首先，添加固化剂会形成由永久化学键结合在一起的聚合物分子交联网络。在第二种情况下，增加聚合物分子链的长度会导致它们越来越纠缠，所以它们不能分开

徐提出，后者提供了可逆设计的可能性。她将这一概念比作折叠的蛋白质，它们在没有化学键的情况下相互作用，在自然界中形成坚固的结构，然后可以展开成它们的组成链

徐和她在伯克利实验室材料科学部的同事们希望以这一概念为基础，从一系列简单的聚苯乙烯链开始，将它们缠结在一起形成一个坚固稳定的结构，然后将材料带回起点。徐说：“假设你有一团纱线，而且很乱。你无法解开它。”。“但如果你玩纱线，也许你可以骗它解开。”

考虑到这一点，研究人员将聚苯乙烯链连接到直径数百纳米的二氧化硅颗粒上，创造出徐所说的“毛状颗粒”。通过形成纳米复合材料，这些毛状颗粒自组装成晶体状结构，在每个单元之间为毛状聚合物填充提供不同的空间。每个聚苯乙烯链的可用空间取决于它在结构中的位置，因此决定了它与邻居缠结在一起的程度

通过将聚合物链限制在这些具有不同几何形状的微小空间中，徐减少了任何聚苯乙烯链簇移动的自由度，从而控制了它们的纠缠程度。或者，事实证明，如何不纠缠：对于某些排列，对挤压的反应是，特定的聚苯乙烯链簇在施加力时会松开

“粒子之间的纠缠程度决定了它们对外力的反应，”徐说，他也是加州大学伯克利分校工程学院和化学学院的教授。通过调整聚苯乙烯链的尺寸，以及精确地将多少链附着在二氧化硅颗粒的每个面上，她可以调整结构如何响应以消散外部应力。最终，这些参数为基于纠缠的“伪键”工程提供了关键。

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显微镜研究表明，虽然一些链在约束下变得刚性，但其他链最终会解开并拉伸以消散外部应力。结果是一种坚固、坚韧的薄膜材料，通过缠结的聚苯乙烯链的伪键牢固地结合在一起。将少量聚苯乙烯链本身添加到纳米粒子组件中，最终的承载性能又提高了50%

“我们真的很兴奋，现在我们可以使用纳米约束操纵无定形聚合物组织，”徐说。到目前为止，无定形聚合物通常是随机缠结的，而蛋白质折叠得很好。聚苯乙烯链排列的变化现在达到了一个最佳点，可以用来以智能的方式设计复合材料。此外，加入一滴溶剂并搅拌，将纳米复合材料溶解回悬浮的组成颗粒中：没有化学键可以断裂，从而可以对材料进行再加工

据徐介绍，伯克利实验室的研究可以很容易地扩展到其他聚合物和填料。聚苯乙烯是最常见的聚合物之一，二氧化硅是一种廉价的纳米粒子；尽管如此，徐假设这些结果也适用于其他复合材料。她设想了一个具有其他光学或磁性的粒子的未来，例如，为光电设备制造复合材料。徐说：“只要调节聚合物的分布方式，我们就可以同时具有强度和韧性。” More information: Tiffany Chen et al, Reversible Nanocomposite by Programming Amorphous Polymer Conformation Under Nanoconfinement, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202415352

Journal information: Advanced Materials