【大紀元2024年07月06日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）雖然玻璃狀聚合物擁有堅硬和堅固的特性，但缺點是延展性有限且易碎。美國一所大學利用特殊的溶劑開發出一款「玻璃凝膠」，有效改善玻璃狀聚合物的缺點，使其擁有玻璃和凝膠的理想特性。
玻璃狀聚合物的機械性質對於許多消費品都很重要，聚合物鏈之間很強的相互作用使其具有很高的剛性和強度。不過，凝膠中的溶劑會降低聚合物鏈之間的相互作用，軟化聚合物網絡，從而降低其機械性能。例如，隱形眼鏡就是用遇水會膨脹的聚合物凝膠製作而成的。
因此，科學們想將玻璃狀聚合物和凝膠聚合物融合一起，做出一種既堅固又有彈性的新型材料。美國北卡羅來納州立大學的研究人員從溶劑下手，研發出一種具有抗斷裂、高韌性、高形變特性的「玻璃凝膠」。這種材質還可以透過短暫加熱使其快速復原，具有黏合、自我修復和形狀記憶特性。這項結果於6月19日發表在《自然》雜誌上。
這種玻璃凝膠是在「離子液體」與「聚合物」物質之間，形成一種強烈的非共價鍵相互作用，即物體不依賴電子間的共享，只依賴電子間的吸引力。
開始研究人員先拿一塊不含溶劑的1平方公分大小的丙烯酸（PAA）進行壓力試驗，以測試其機械性能。結果顯示，不含溶劑的丙烯酸，可以負重4,000克且很堅硬，但是容易破碎。
然後他們將這1平方公分大小的丙烯酸加入離子液體溶劑（PP），使其成為玻璃狀凝膠狀態後再進行壓力試驗。結果顯示，它依然可以負重4,000克，不但變得更加堅硬，而且還富有極高的延展性。另外，若單純地讓丙烯酸加水變成凝膠，只能讓它變得柔軟具有彈性，但負重只有20克。
為了找出丙烯酸與離子液體溶劑最合適狀態，他們做了多種濃度單體的丙烯酸加入適量的離子液體溶劑製成玻璃凝膠的試驗。結果發現，這些不同濃度的丙烯酸不僅都有高度聚合轉換反應（大於94%），且成形的玻璃凝膠都具有很高的透明度。
另外，這些玻璃凝膠體的溶劑含量，達到整體重量的54%以上，但揮發性要比傳統只含水的丙烯酸凝膠還要低，不容易出現蒸發或乾燥的狀況，且伸性能要比含水的丙烯酸出色得多。他們還發現，若增加單體丙烯酸的濃度可以增加其強度和韌性，且還可以支撐自重200倍以上的重量。
除此之外，研究人員還發現這種玻璃狀凝膠的機械性能，可以與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯、增塑聚氯乙烯（PVC）相匹敵，承受外部壓力的能力與聚乙烯（PE）熱塑性塑膠類似，且該物質只需在80°C的環境下加熱不到一分鐘，就可以快速恢復成原形。
研究還顯示，玻璃狀凝膠可以用各種不同的聚合物和離子液體製成，且機械性能與普通塑膠相似，不過並非所有類別的聚合物都可以用來製造玻璃狀凝膠。
該研究論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學化學與生物分子工程系教授邁克爾‧迪基（Michael Dickey）對該校的通訊室解釋道，「帶電或擁有極性的聚合物，才有可能成為玻璃狀凝膠，因為它們容易被離子液體吸引。」
另外，實驗人員表示，玻璃狀凝膠除了擁有出色的機械性能外，還有卓越的黏合性能、形狀記憶、自我修復能力，且還有一定的電導率。因此，這些材料可以在電子、電池和感測器中找到應用價值。
該論文的共同第一作者、該校研究員博士後王美洋（Meiyang Wang，音譯）則表示，「玻璃狀凝膠與普通凝膠的關鍵區別，在於它們的液體含量超過50%，使得它的導電性要比有類似物理特性的塑料更好。這個結果讓我們對這些材料的用途感到樂觀。」
他們還認為，玻璃狀凝膠具有實際應用的前景，因為它們可以在任何類型的模具中固化或透過3D列印來完成製造。
迪基教授表示，「我們創造的玻璃狀凝膠，不僅和玻璃狀聚合物一樣堅硬，還能被拉長五倍也不會斷裂。更重要的是這種材料被拉伸後，可以透過加熱恢復到原來的形狀。此外，玻璃狀凝膠的表面具有高度的黏合性，這對於硬質材料來說是不可思議的。」
他補充說，也許玻璃狀凝膠最有趣的特性是它們的黏性，很期待看到如何使用玻璃狀凝膠，並確定其應用方式。
這種材料未來有望用於3D建模和一些柔軟的機械爪上，因此在電子、醫療設備等行業具有很高的應用潛力。
責任編輯：連書華