計(jì)算化學(xué)帶來(lái)新型超強(qiáng)自愈高聚材料

【摘要】最近，美國(guó)IBM研究所與加州大學(xué)伯克利分校、荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)等單位科學(xué)家合作，通過(guò)“計(jì)算化學(xué)”將實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與高精計(jì)算相結(jié)合，模擬新材料的形成反應(yīng)，開發(fā)出兩種能循環(huán)利用的新型高聚材料，有望給運(yùn)輸、航空、微電子等行業(yè)的加工制造帶來(lái)變革。

    最近，美國(guó)IBM研究所與加州大學(xué)伯克利分校、荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)等單位科學(xué)家合作，通過(guò)“計(jì)算化學(xué)”將實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與高精計(jì)算相結(jié)合，模擬新材料的形成反應(yīng)，開發(fā)出兩種能循環(huán)利用的新型高聚材料，有望給運(yùn)輸、航空、微電子等行業(yè)的加工制造帶來(lái)變革。

    據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，這些新材料首先具有抗開裂性質(zhì)，強(qiáng)度高于骨骼，還能變形自愈，所有材料能完全恢復(fù)成最初原料的樣子。而且，它還能“變身”成新的聚合結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度再增加50%，成為另一種超強(qiáng)輕質(zhì)材料。相關(guān)論文發(fā)表在當(dāng)天的《科學(xué)》雜志上。

    航空材料需要有良好的抗開裂性，但目前的聚合材料抗開裂能力有限，而且很難循環(huán)利用，不能重鑄、自愈或熱分解，廢棄材料只能用廢渣填埋法處理。研究小組發(fā)現(xiàn)的是一個(gè)新材料“家族”，其屬性可按照需要廣泛調(diào)節(jié)，也為探索研究和應(yīng)用開發(fā)帶來(lái)更多機(jī)會(huì)。他們開發(fā)出的兩種新型材料各具特色，包括高硬度、耐溶解、開裂自愈強(qiáng)化等。

    這些新型聚合材料原料廉價(jià)，通過(guò)冷凝反應(yīng)大分子連在一起，小分子形成水或乙醇。反應(yīng)簡(jiǎn)單而容易調(diào)節(jié)。在250℃時(shí)，聚合物通過(guò)共價(jià)鍵重組，除去溶劑變得比骨骼還強(qiáng)，但缺點(diǎn)是脆而易碎。它在高pH值水中分毫無(wú)損，但在低pH值水中會(huì)選擇性分解，因此適當(dāng)條件下，能可逆地變成最初材料形式，重新形成新的聚合結(jié)構(gòu)。而且，把聚合物與碳納米管或其他強(qiáng)化填充劑混合，高溫加熱后能變得更強(qiáng)，擁有類似于金屬的性質(zhì)，用在飛機(jī)、汽車上。

    在室溫環(huán)境下，能形成另一種像彈力膠似的聚合材料，溶劑嵌在聚合網(wǎng)絡(luò)中，不僅強(qiáng)度比大部分聚合材料更高，而且仍保持柔韌性，就像橡膠帶。如果開裂，把碎片拼在一起，能在幾秒鐘內(nèi)重新形成化學(xué)鍵而連成一個(gè)整體。這種性質(zhì)讓它能在中性環(huán)境實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，在需要可逆重組的應(yīng)用領(lǐng)域大顯身手。

    研究人員指出，這種非傳統(tǒng)的方法將帶來(lái)許多前所未有的新材料，加速新材料的開發(fā)過(guò)程。 “雖然高性能材料研究已取得巨大進(jìn)步，但目前設(shè)計(jì)的聚合材料還缺乏許多基本性質(zhì)。新材料創(chuàng)新在應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)、開發(fā)新產(chǎn)品等方面非常關(guān)鍵?！盜BM研究所先進(jìn)有機(jī)材料科學(xué)家詹姆斯·海德里克說(shuō)，“現(xiàn)在，我們能通過(guò)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)分子在化學(xué)反應(yīng)中會(huì)怎樣，制造出新的聚合結(jié)構(gòu)，幫助推動(dòng)新材料的開發(fā)，滿足交通運(yùn)輸、微電子或先進(jìn)制造行業(yè)中對(duì)復(fù)雜先進(jìn)材料的需求?！保ǔ｛惥?/P>