材料科學喜歡將自然和生物的特殊屬性作為模型。由美因茨約翰內(nèi)斯古騰堡大學 (JGU) 的化學家 Andreas Walther 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組成功地賦予材料一種仿生特性：只需按一下按鈕，薄薄的硬納米紙就會立即變得柔軟和富有彈性。

“我們?yōu)檫@種材料配備了一種機制，這樣強度和剛度就可以通過電氣開關(guān)進行調(diào)節(jié)，”沃爾特解釋說。一旦施加電流，納米紙就會變軟;當電流停止時，它重新獲得力量。例如，從應(yīng)用的角度來看，這種可切換性對于阻尼材料可能很有趣。這項工作還包括來自弗萊堡大學和由德國研究基金會 (DFG) 資助的生活、適應(yīng)性和能源自主材料系統(tǒng)卓越集群 (livMatS) 的科學家，并發(fā)表在Nature Communications 上。

來自海底的靈感：機械開關(guān)具有保護功能

這個案例中基于自然的靈感來自海參。這些海洋生物有一種特殊的防御機制：當它們在海底棲息地受到捕食者的攻擊時，海參可以適應(yīng)并加強它們的組織，使它們?nèi)彳浀耐獗砹⒓醋冇病?ldquo;這是一種從根本上難以復(fù)制的適應(yīng)性機械行為，”Andreas Walther 教授說。隨著他們的工作現(xiàn)已發(fā)表，他的團隊成功地模仿了基本原理，使用一種有吸引力的材料和同樣有吸引力的開關(guān)機制，以一種改良的形式。

科學家們使用從樹木細胞壁中提取和加工的纖維素納米纖維。納米原纖維甚至比標準紙中的微纖維還要細，形成一種完全透明、幾乎像玻璃一樣的紙。這種材料堅硬而堅固，對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)很有吸引力。其特性甚至可與鋁合金相媲美。在他們的工作中，研究團隊將電力應(yīng)用于這些基于纖維素納米原纖維的納米紙。通過特殊設(shè)計的分子變化，材料因此變得靈活。該過程是可逆的，可以通過開/關(guān)開關(guān)進行控制。

“這是非凡的。我們周圍的所有材料都不是很容易變化，它們不容易從僵硬變?yōu)閺椥?，反之亦然。在這里，借助電力，我們可以以簡單而優(yōu)雅的方式做到這一點，”瓦爾特說. 因此，發(fā)展正在從經(jīng)典的靜態(tài)材料轉(zhuǎn)向具有可自適應(yīng)調(diào)整特性的材料。這與機械材料相關(guān)，因此可以使其更耐斷裂，或者與自適應(yīng)阻尼材料相關(guān)，例如在過載時可以從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿犴樞浴?/p>

針對具有自身能量存儲的材料進行自主開/關(guān)切換

在分子水平上，該過程涉及通過施加電流加熱材料，從而可逆地破壞交聯(lián)點。材料軟化與施加的電壓相關(guān)，即電壓越高，破壞的交聯(lián)點越多，材料變得越軟。Andreas Walther 教授對未來的展望也從電源開始：雖然目前需要電源來啟動反應(yīng)，但下一個目標是生產(chǎn)一種具有自身儲能系統(tǒng)的材料，因此反應(yīng)本質(zhì)上是例如，一旦發(fā)生過載并且需要阻尼時，就會立即“內(nèi)部”觸發(fā)。“現(xiàn)在我們?nèi)匀恍枰约簱軇娱_關(guān)，但我們的夢想是讓材料系統(tǒng)能夠自己完成這項工作。”

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