概要：

    研究人员研究设计了一种聚合物材料，这种材料可以根据不同波长的光线改变其结构，从刚性物质转变为柔软物质，而且其可以在受损时自行愈合。

图片来源：Felice Frankel

    图示仪器为流变仪。其主要功能在于可以测量材料的机械性能。对于本文所研究的材料（仪器平台上的蓝色凝胶），主要是利用流变仪测量其模量，从而了解其刚度和动力学程度。

    麻省理工学院的研究人员设计了一种聚合物材料，这种材料可以根据不同波长的光线改变其结构，即从刚性物质转变为柔软物质，而且其也可以在受损时自行愈合。

    “这种材料的状态可以来回的转换，而且尽管它所有构成成分都是相同的，但是在每种状态下，材料所表现的性能仿佛是不同材料才具备的。”麻省理工学院化学副教授，麻省理工学院的科赫综合癌症研究所和高分子和软物质项目的成员，以及研究团队的领导者Jeremiah Johnson这样说道。

    Johnson说道，该材料由附着光敏分子的聚合物组成的，其中，这种光敏分子可改变材料内形成的化学键。而且这些材料可以应用于汽车或卫星等物体的涂层，使它们在受损后能够自行愈合，然而，就目前，要实现这个应用可能还是一件很遥远的事情。

    该论文发表在7月18日出版的《自然》杂志上，第一作者是麻省理工学院的研究生Yuwei Gu，其他作者是麻省理工学院的研究生Eric Alt，麻省理工学院化学助理教授Adam Willard，以及南佛罗里达大学的Heng Wang和Xiaopeng Li。

    可控的结构

    聚合物的许多特性，例如它们的刚度和它们的膨胀能力，都受其拓扑结构（材料组分的排列方式）的控制。通常，材料一旦形成，其拓扑结构就不能发生可逆地改变。例如，橡胶球通常是弹性的，在不改变其化学组成的情况下，橡胶球是不能变成脆性材料的。

    在这篇论文中，研究人员希望创建一种可以在两种不同拓扑状态之间可逆转换的材料，而且这在以前的研究中是从未有过的。

    Johnson和他的同事意识到他们几年前设计的一种材料“聚合物金属有机笼子”，或叫“polyMOCs”，是有希望实现在两种不同拓扑状态之间可逆转换的。PolyMOCs是由通过柔性聚合物接头连接在一起的含金属的笼状结构组成。研究人员通过混合附着在被称为配体的可以与金属原子结合的基团上的聚合物来制造这些材料。

    在这种情况下，每个金属钯原子可以与四个配体分子形成键，形成具有不同钯原子与配体分子比例的刚性笼状簇。而且，钯原子与配体的不同比率决定了笼子的大小。

    在这项新研究中，研究人员着手设计了一种可以在两个不同大小的笼子（一个具有24个钯原子和48个配体分子，一个具有3个钯原子和6个配体分子）之间可逆转换的材料。

    为实现这一目标，他们将一种名为DTE的光敏分子纳入配体中。笼子的大小由配体上的氮分子与钯形成的键的角度决定。当DTE暴露在紫外光下时，它在配体中成环状，这会增加氮分子与钯键合的角度的大小，使得簇破裂并形成更大的团簇。

    当研究人员用绿光照射材料（DTE）时，原本的环就会被破坏，氮分子与钯键合的角度变小，进而重新形成较小的团簇。这个过程大约需要5个小时，而且在整个实验中研究人员表示他们可以进行7 次逆转换。然而，在逆转换时，由于每次都会有小部分聚合物不能转换，所以最终导致材料分离。

    当材料处于小簇状态时，它变得柔软了10倍且更具动态性。“在加热时它们可以流动，这意味着其可以被切割，且在温和加热下，这种有切割造成的损伤会自行愈合。”Johnson说道。

    这种方法克服了通常发生在自愈材料上的权衡，即它们在结构上往往相对薄弱。在这种情况下，材料可以在较软的自愈状态和更刚性的状态之间转换。

    自愈合材料

    在这篇论文中，研究人员使用聚合物聚乙二醇（PEG）来制造它们的材料，然而，研究人员表示采用这种方法，任何种类的聚合物都可以用于刚性、柔性自由切换聚合物的制备。潜在的应用包括自愈材料。尽管这种方法被广泛使用，钯（一种稀有且昂贵的金属）很可能被更便宜的替代品所取代。

    “任何由塑料或橡胶制成的东西，如果可以在损坏时自行愈合，那么就不必扔掉它了。更令人兴奋的是，或许这种方法可以提供更耐久的材料。” Johnson说道。这些材料还有可能的应用于药物递送。Johnson表示：可以将药物封装在较大的笼子里，然后经绿灯照射，笼子打开，包载的药物就会释放出来了。而且在绿光照射下可以重新获得药物，这为可逆的药物递送提供了一种新方法。

    研究人员还致力于创建一种可以从固态可逆地切换到液态的材料，以及利用光在同一材料中同时创建具有柔软和刚性两部分的图案。该研究获得了美国国家科学基金会的资助。

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责任编辑：殷鹏飞

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