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简单材料也能制成超级凝胶

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黏糊糊的柔性水凝胶能够应用在各种各样的场景中,例如用于软性隐形眼镜和果冻。其中,水凝胶的基本结构并没有变化:通过交联作用形成的聚合物网络结构在水中发生溶胀。如今,研究人员开发出了一种新型离子凝胶,它比水凝胶更加坚韧,或能用于更多的应用场景,例如,制作长效电池(longer-lasting batteries)。
对于离子凝胶而言,聚合物网络结构的空隙中充满的是离子液体,而不是水。离子液体由带正电和带负电的离子组成。室温下,离子液体不会结晶固化,而且较强的离子键又可以确保它们不会像水一样蒸发。此外,由于离子间的黏附力,溶胀在离子液体中的聚合物比溶胀在水中的更加坚韧。
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美国北卡罗莱纳州立大学的化学工程师迈克尔·迪基(Michael Dickey)和同事设计了一种制备离子凝胶的新方法,从而得到了被迪基描述为机械性能“最佳”的离子凝胶。相比于软骨和天然橡胶,这种离子凝胶更难折断,同时还非常柔软且易拉伸。例如,它们可以拉伸到自身的7倍之长,是橡皮筋拉伸力的2倍多,迪基说道。就像其他离子凝胶一样,这种新型离子凝胶也具备导电能力,而且能够在温度变化的过程中保持稳定。此外,受热时还可以“自修复”划痕或撕裂。最近,研究人员将关于这种新材料的详细研究发表在《自然·材料学》(Nature Materials)上。
美国麻省理工学院的机械工程师赵选贺(Xuanhe Zhao,未参与这项研究)是这篇论文的审稿人之一。赵选贺认为:“这些透明的离子凝胶具有非常坚韧的机械性能,而且最大的亮点是制作非常简单。”尽管之前其他研究团队也研发了自己的离子凝胶,但通常涉及多个步骤或复杂的化学原理。而迪基和同事则只是简单地将离子液体和两种聚合物的单体相混合,然后用光照射,从而触发单体交联成聚合物链。“这种制备方法相当于使1加1得到了100。”迪基说,“把两种原本非常常见的材料加入离子液体后,反而得到了一种异常坚韧的材料。”
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这种容易制备的离子凝胶具有非常广阔的应用前景。它们具有优良的韧性和弹性,可以成为防止车祸或爆炸的理想缓冲材料。它们在光照下就会发生固化,可以用于3D打印难以折断的物体。值得一提的是离子具有导电性,因此这种离子凝胶也能用于可充电电池,而且研究人员认为,它们比当前使用的液态电解质具备更好的抗降解能力。
迪基表示,前面仅仅列出了应用方面的一些可能性。他还补充道:“当你拥有一种非常容易制备,且性能如此优越的材料时,它的应用前景必将超出人们的想象。”
撰写:索菲·布什维克(Sophie Bushwick)
翻译:董子晨曦
审校:王昱
引进来源:科学美国人
本文来自:中国数字科技馆
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