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“玻璃凝胶”登场，结合玻璃和凝胶两种材料的特性，拉伸能力提高五倍

文章来源：贤集网更新时间：2024-06-24 15:19:00

美国北卡罗来纳州立大学研究人员创造了一种名为“玻璃凝胶”的新材料，这种材料含有超过50%的液体，非常坚硬而且难以破碎。由于其生产也比较容易，这种材料有望应用于多个领域。相关论文19日发表在《自然》杂志上。

玻璃态聚合物在许多消费品中非常重要，因为它们具有高硬度（约1 GPa模量）和高强度（断裂强度10-100 MPa）。当这些聚合物溶解后会形成凝胶，如隐形眼镜在水中膨胀成凝胶。

凝胶中的溶剂减少了聚合物链间的相互作用，使材料变得柔软，使其更加可拉伸。玻璃态聚合物干燥、坚硬，而凝胶柔软、可拉伸。韧化凝胶的策略通常包括增加聚合物链间的次级键或引入缠结来分散应力。尽管溶剂通常被认为降低了材料的硬度，但如果溶剂能增强聚合物链间的相互作用，就能同时保持延展性和强度。

像玻璃聚合物一样坚硬，拉伸能力提高五倍

凝胶和玻璃状聚合物是历史上被视为截然不同的两类材料。玻璃状聚合物坚硬、坚硬，往往易碎。它们被用来制造水瓶或飞机窗户之类的东西。凝胶——比如隐形眼镜——含有液体，柔软而有弹性。

顾名思义，“玻璃凝胶”这种材料像玻璃一样硬，但在施加足够的力时，可以被拉伸到原来长度的5倍而不断裂。更重要的是，这种材料在拉伸后，还能通过加热恢复到原始形状。

尽管没有传统溶剂，但离子液体仍能增加自由体积，从而提高延展性。此外，离子液体会在聚合物链之间形成强大而丰富的非共价交联，从而在室温下形成坚硬、强韧、玻璃状的均匀网络（即无相分离）。

尽管玻璃凝胶的液体含量超过 54 wt%，但其断裂强度（42 MPa）、韧性（110 MJ m-3）、屈服强度（73 MPa）和杨氏模量（1 GPa）都非常高。这些数值与聚乙烯等热塑性塑料相似，但与热塑性塑料不同的是，玻璃凝胶的变形应变可高达 670%，加热后可迅速完全恢复。这些透明材料通过一步聚合形成，具有令人印象深刻的粘合性、自愈性和形状记忆特性。

结合玻璃和凝胶两种材料的特性

玻璃状凝胶是一种通过光聚合技术一次性制成的材料，主要成分包括单体（丙烯酸）、交联剂（MBAA）、光引发剂和离子液体（PP）。这种凝胶系列被命名为 PM-S-Cm，表示单体、溶剂和单体的摩尔浓度。制备的凝胶具有高液体含量（>54%），透明度高，与传统水凝胶 PAA-H2O 相似，但由于聚丙烯的低挥发性，其重量和机械性能更稳定。

玻璃凝胶结合了玻璃和凝胶两种材料的特性。为了制造这种材料，研究人员从玻璃聚合物的液体前体开始，将其与离子液体混合；然后将混合液倒入模具中，暴露在紫外线下，使材料“固化”；最后，研究人员移除模具，留下玻璃状的凝胶。

离子液体像水一样是一种溶剂，但它完全由离子组成。通常情况下，当向聚合物中添加溶剂时，溶剂会推动聚合物链分离，使聚合物变得柔软且可拉伸。

这就是为什么湿式隐形眼镜是柔韧的，而干式隐形眼镜则不是。

在玻璃凝胶中，溶剂推动玻璃聚合物中的分子链分离，这使得它可像凝胶一样拉伸。然而，溶剂中的离子被聚合物强烈吸引，这阻止了聚合物链的移动。链无法移动是它呈玻璃状的原因。具备延展性并在变形过程中消散能量，赋予了优异的机械特性。尽管溶解度高，但玻璃态凝胶的玻璃化转变温度（Tg）高于室温，实现了形状记忆和自我修复功能。

玻璃凝胶的一个关键特性在于，它们50%以上是液体，这使得它们比物理特性类似的普通塑料能更有效地导电。它们也不会蒸发或变干燥。

此外，玻璃态凝胶因与界面形成强相互作用而具备显著的粘合特性。通过调整单体和溶剂的比例、选择和温度，玻璃态凝胶可以表现得更像玻璃或凝胶。它们仅需通过光聚合反应形成，但机械性能可与普通塑料相媲美，提供了一种制造新材料的简单方法，兼具玻璃态聚合物、热塑性塑料和凝胶的优点。

研究人员发现，玻璃凝胶可用各种不同的聚合物和离子液体制成，并且制造过程简单，可在任何类型的模具中固化或通过3D打印来完成。

总结

凝胶和玻璃，历来被视为两类截然不同的材料。现在，玻璃凝胶横空出世，可以通过调整单体和溶剂的比例、选择和温度，让它表现得更像玻璃或更像凝胶。它仅需通过光聚合反应就可形成，机械性能却与普通塑料相当。这意味着，通过一种简单方法，人们就可以获得兼具玻璃态聚合物、热塑性塑料和凝胶优点的新材料。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_550862.html
来源：贤集网
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