外韌內強的新型水凝膠是怎麼做出來的?

ADVERTISEMENT

圖片來源:Hokkaido University

科學研究人員利用纖維研發出了一種新型纖維增強的水凝膠材料(水凝膠是以水為分散介質的凝膠,屬於高分子網路體系,性質柔軟,能保持一定的形狀,能吸收大量的水),據說這種材料的分子間作用力要比碳鋼的強上五倍,也就是說不易斷開,但是韌性也不賴,彎曲和拉伸都不是難事。

那麼,同時具備這兩種特性的材料又有何妙用呢?我們都知道,人工韌帶和肌腱需要有極高的韌性並且不易斷裂,顯然,如果我們將這種水凝膠材料應用在醫學治療上,對於這些部位有問題的病人,想必也是一個福音吧!雖然目前在設計製造上仍有一定的難度,但是至少這確實是滿足條件的彈性材料。

這種由日本北海道大學(Hokkaido University)的相關研究人員研發的新型水凝膠材料,又被稱為纖維增強軟複合材料(簡稱FRSC),其實是由水含量高的凝膠和玻璃纖維織物複合而成。

ADVERTISEMENT

該項目的研究人員之一龔建平表示:“由於具有很強的可靠性、耐用性和靈活性,這個材料在各個應用方面都有著很大的發展空間。”

長期以來,人們都在不停地嘗試,試圖將兩個具有不同特性的天然材料結合起來,從而得到我們想要的某種同時具備這兩種特性的材料。比如,早期的土磚就是由稻草和泥土混合製成,後來的混凝紙漿其實也是一種複合材料——由紙和膠水混合而成。

當然,複合材料的研發宗旨就是將來自不同原材料的不同的優良性質集中體現在一種材料上。

關於這種纖維增強軟複合材料的研究,相關科學研究人員邁出的第一步就是尋找一種材料,要求這種材料除了可以承受很大的負荷之外,還需要具有抗斷性,而水凝膠同時具備這兩種特性,當然是必選材料之一。而且,如果在水凝膠中新增些許玻璃纖維織物,那麼材料就會更加耐用,同時具有很好的韌性。

ADVERTISEMENT

該團隊的相關研究人員表示,這種複合材料之所以具備驚人的強度,主要是因為玻璃纖維織物的分子和水凝膠分子之間形成動態的離子鍵,隨著形成離子鍵的兩種分子的電子相互交換,原子間的相互吸引力增強,在宏觀上也就表現出更加突出的強度,水凝膠分子之間也有這樣的作用。

在實驗室裡,科學研究人員發現,通過這種方法,水凝膠的韌性得以增強,與此同時,複合材料整體的韌性也有所增強。

研究人員還表示,同樣的原理也可以應用到其他研究上,基於北海道大學之前的一些相關研究,利用這種方法也可以增強橡膠等軟材料的韌性。

通過測定,最終的結果顯示,這種複合材料的韌性比玻璃纖維織物強二十五倍,比水凝膠甚至強上一百倍。同時,強度(相當於將材料分開所需要的能量高低)也遠遠大於碳鋼,差不多是碳鋼的五倍!

在此之前,水凝膠材料被人們吹捧為治療傷口以及製造柔軟機器人的合適材料,但是,很明顯,水凝膠材料的韌性缺陷限制了它的廣泛使用和推廣。不過現在,這種複合材料可能是個不錯的選擇呢!

研究人員在他們的論文中寫道:“這項工作很有意義,對研究具有更好的抗斷性的纖維增強軟複合材料起到了一個不錯的指導作用。”

蝌蚪五線譜編譯自sciencealert,譯者 sunshine,轉載須授權


» 蝌蚪五線譜

ADVERTISEMENT
ADVERTISEMENT