生物組織(例如肌肉)具有令人著迷且至關(guān)重要的能力，可以自我修復(fù)和自我增強，以應(yīng)對外力造成的損害。另一方面，大多數(shù)人造聚合物會在足夠的機械應(yīng)力下發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的斷裂，這使得它們在某些關(guān)鍵應(yīng)用(例如制造人造器官)中的用處不大。但是，如果我們可以設(shè)計對機械刺激發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并利用這種能量來增強其性能的聚合物呢?

在機械化學(xué)領(lǐng)域，這一目標已被證明是一個巨大的挑戰(zhàn)。在Angewandte Chemie國際版上發(fā)表的最新研究中，東京工業(yè)大學(xué)，山形大學(xué)和相?；瘜W(xué)研究所的科學(xué)家團隊在本體自增強聚合物方面取得了顯著進展。主持這項研究的大冢秀行教授解釋了他們的動機：“進一步發(fā)展優(yōu)雅的本體系統(tǒng)的過程中，力誘導(dǎo)的反應(yīng)引起機械性能的明顯變化將代表機械化學(xué)，聚合物化學(xué)和材料方面的變革性進步?？茖W(xué)他們通過專注于二芴基琥珀腈(DFSN)來實現(xiàn)這一目標，DFSN是一種對機械應(yīng)力作出反應(yīng)的“機械基團”或分子。

該團隊創(chuàng)建了具有硬和軟功能段的分段聚氨酯聚合物鏈。軟鏈段包含DFSN分子，充當其“最弱的環(huán)節(jié)”，其兩個半部分均通過單個共價鍵相連。軟鏈段的側(cè)鏈也被甲基丙烯?；鶈卧舛?。在聚合物上施加機械應(yīng)力(例如簡單壓縮或拉伸)后，DFSN分子會分裂為兩個相等的氰基芴(CF)自由基。與DFSN不同，這些CF自由基呈粉紅色，因此很容易從視覺上檢測機械損傷。

最重要的是，CF自由基與其他聚合物側(cè)鏈中的甲基丙烯?；鶈卧磻?yīng)，從而導(dǎo)致單獨的聚合物在一種稱為交聯(lián)的過程中彼此發(fā)生化學(xué)鉤連。隨著聚合物變得更加化學(xué)纏結(jié)，這種現(xiàn)象最終使散裝材料的整體強度提高。正如科學(xué)家在實驗中證明的那樣，這種化學(xué)交聯(lián)作用隨著在分段聚合物樣品上執(zhí)行更多的壓縮循環(huán)而變得更加明顯，因為更多的DFSN分子被分解為CF自由基。

此外，研究小組還創(chuàng)建了一種微小的分段聚合物變體，當施加機械力時，該分段聚合物不僅會變粉紅色，而且在紫外線照射下也會顯示熒光。當試圖更準確地量化由機械應(yīng)力造成的損壞程度時，此功能非常有用。

所開發(fā)的聚合物的吸引人的特性和功能可用于例如直觀的損傷檢測和自適應(yīng)材料的創(chuàng)建。Otsuka對他們的發(fā)現(xiàn)表示興奮，他說：“我們成功開發(fā)了前所未有的機械響應(yīng)聚合物，該聚合物表現(xiàn)出顏色變化，熒光和自增強能力，這是首次報道了通過簡單地延長或壓縮分子而引起的力誘導(dǎo)的交聯(lián)反應(yīng)。我們的發(fā)現(xiàn)代表了機械化學(xué)基礎(chǔ)研究及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用方面的重大進展。”

隨著更多具有獨特功能的機械響應(yīng)材料的開發(fā)，我們可以期望探索它們在各種工業(yè)和工程領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。確保密切注意機械化學(xué)的進一步發(fā)展!

標簽： 新型聚合物