麻省理工學院(MIT)的研究人員設(shè)計了一種通過改變結(jié)構(gòu)以應(yīng)對光線的聚合物材料，使之從硬物質(zhì)轉(zhuǎn)化為在受損時可以自愈的柔性物質(zhì)。
麻省理工學院的化學副教授Jeremiah Johnson，是麻省理工學院科克綜合癌癥研究所(MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research)的一員，也是聚合物和軟物質(zhì)項目研究小組的人。他表示：“你可以來回切換材料的狀態(tài)，并且在每種狀態(tài)下，即使由相同成分構(gòu)成也像完全不同的材料?！?/span>
Johnson提出，這種材料由附著在感光分子上的聚合物組成，這種分子可以用來改變材料內(nèi)部形成的化學鍵。雖然這種材料可以用來涂覆汽車或衛(wèi)星等物體，使它們在受損后能夠愈合，但是在未來這些應(yīng)用還很遙遠。
這篇發(fā)表在《Nature》雜志上的論文的作者是麻省理工學院研究生Yuwei Gu。其他作者還有麻省理工學院研究生Eric Alt、麻省理工學院化學助理教授Adam Willard、南佛羅里達大學的Heng Wang和Xiaopeng Li。
聚合物的許多特性，例如其硬度和膨脹能力，都受其拓撲結(jié)構(gòu)所控制，即和材料的成分是如何排列有關(guān)的事。通常，材料一旦形成，其拓撲結(jié)構(gòu)就不能被可逆地改變。例如，橡膠球保持彈性并且在不改變其化學組成的情況下不能變脆。
在本論文中，Johnson和他的同事們想要創(chuàng)造一種從未有過的材料，它可以在兩種不同拓撲狀態(tài)之間可逆地切換。他們意識到他們幾年前設(shè)計的一種聚合物金屬有機籠狀材料polyMOCs，該材料是使之實現(xiàn)的有希望的候選者。PolyMOCs由通過柔性聚合物連接金屬，形成籠狀結(jié)構(gòu)。
? ? ?研究人員通過混合附著在稱為配體的基團上的聚合物來制造這些材料，這些基團可以與金屬原子結(jié)合。每個金屬原子(在這種情況下一般是金屬鈀)可以與四個配體分子成鍵，形成具有不同鈀與配體分子比例的剛性籠狀簇。這些比率決定了籠狀簇的大小。
在這項新研究中，研究人員打算設(shè)計一種可以在兩個不同大小的籠狀簇之間可逆切換的材料：一個具有24個鈀原子和48個配體，一個具有3個鈀原子和6個配體分子。
為實現(xiàn)這一目標，他們將一種名為DTE的光敏分子納入配體中?；\子的大小由配體上的氮分子與鈀形成的鍵的角度決定。 當DTE暴露在紫外光下時，它在配體中形成環(huán)，這增加了氮與鈀鍵合的角度。這使得簇破裂并形成更大的簇。
當研究人員在材料上發(fā)出綠光時，環(huán)被破壞，鍵角變小，重新形成較小的團簇。 這個過程大約需要五個小時才能完成，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以進行七次逆轉(zhuǎn)。 每次逆轉(zhuǎn)時，總有一小部分聚合物不能逆轉(zhuǎn)，終導致材料分離。
當材料處于小團簇狀態(tài)時，它是正常狀態(tài)下柔性材料的的10倍且更具動態(tài)性。Johnson說：“它們可以在加熱時流動，這意味著你可以切割它們并且在溫和的加熱條件下自愈?！?/span>
這種方法克服了自修復(fù)材料通常會發(fā)生的問題，即它們往往在結(jié)構(gòu)上相對較弱。 在這種情況下，材料可以在較軟的自愈狀態(tài)和更剛性的狀態(tài)之間切換。
在這項研究中，研究人員使用聚合物聚 乙 二醇（PEG）制造材料，他們認為這種方法可以用于任何種類的聚合物。潛在的應(yīng)用包括自愈材料，盡管這種方法要想得到廣泛應(yīng)用，鈀這種稀有而昂貴的金屬必須被一種更便宜的替代品所取代。
Johnson說，“任何由塑料或橡膠制成的東西，如果它在損壞時可以修復(fù)，那么就不必扔掉它。也許這種方法能夠使得材料具有更長壽命。”
這些材料的另一個可能應(yīng)用是藥物輸送。 Johnson認為將藥物封裝在更大的籠狀結(jié)構(gòu)里，然后讓它們暴露在綠光下使之打開并釋放是可能的。應(yīng)用綠光線也可以使藥物重新被捕獲，為可逆的藥物輸送提供一種新的方法。
? ?研究人員還致力于創(chuàng)造能可逆地從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的材料，并利用光在同一材料內(nèi)產(chǎn)生柔性和剛性的圖案。
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