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【甘肅科技報(bào)】科學(xué)家造出仿生蜻蜓聚氨酯
甘肅科技報(bào)社融媒體中心訊（記者 ?張?jiān)莆模?/strong>??蜻蜓之所以能靈活飛行和跳躍，秘密在于其表皮中一種叫做“彈性蛋白”的物質(zhì)。這種彈性蛋白的特殊結(jié)構(gòu)，讓蜻蜓擁有極低的剛度和極高的彈性。最近，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所的科學(xué)家們，就從這種特殊蛋白質(zhì)身上找到了靈感，成功研發(fā)出了一種新型聚氨酯材料，讓它既堅(jiān)固耐用，又彈性十足，一舉突破了傳統(tǒng)聚氨酯“強(qiáng)則脆，彈則弱”的難題！
我們常見的輪胎、密封件，甚至減震器，都離不開一種神奇的材料——聚氨酯。它既要有足夠的強(qiáng)度，又要有良好的彈性，才能勝任這些“重任”。 然而，長(zhǎng)期以來，聚氨酯材料面臨一個(gè)兩難的困境：想要更堅(jiān)固，彈性就會(huì)降低；想要更彈性，強(qiáng)度又會(huì)不足。這就像魚和熊掌，難以兼得！
問題出在哪里呢？科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵在于彈性恢復(fù)過程中的“熵罰”。簡(jiǎn)單來說，就是材料在拉伸形變后，如果內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化太大，就很難完全恢復(fù)原狀，導(dǎo)致永久變形。傳統(tǒng)的增強(qiáng)方法雖然能提升強(qiáng)度，但也會(huì)限制分子運(yùn)動(dòng)，增加“熵罰”，降低彈性。蘭州化物所的研究人員是如何解決這個(gè)難題的呢？他們巧妙地借鑒了蜻蜓表皮中的節(jié)肢彈性蛋白結(jié)構(gòu)，利用一種叫做“低熵罰策略”的方法，在聚氨酯材料中構(gòu)建了一種特殊的微相分離結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單來說，就是在聚氨酯中，人為地創(chuàng)造了一些“硬”的部分和“軟”的部分，并且控制好這些“硬”的部分的大小、間距和均勻程度，就像給聚氨酯材料穿上了一件“軟硬甲”。 這些“硬”的部分，通過一種叫做氫鍵和配位鍵的“魔法”，聚集在一起，就像一個(gè)個(gè)小小的支柱，提高了材料的強(qiáng)度。這些“軟”的部分，則賦予材料優(yōu)異的彈性，讓它可以隨意拉伸和變形。
更神奇的是，當(dāng)材料受到拉伸時(shí)，“硬甲”會(huì)逐漸解體，而“軟甲”則會(huì)發(fā)生結(jié)晶，就像一個(gè)此消彼長(zhǎng)的平衡過程。當(dāng)拉力消失后，結(jié)晶的“軟甲”又會(huì)釋放能量，幫助材料恢復(fù)原狀。這種“熵—焓補(bǔ)償機(jī)制”就像一個(gè)聰明的調(diào)控器，讓材料在保持強(qiáng)度的同時(shí)，最大程度地減少?gòu)椥該p失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新型聚氨酯材料的強(qiáng)度超過了80MPa，比大多數(shù)人造彈性體都要強(qiáng)！同時(shí)，它的回彈效率也超過了90%，堪比天然的生物彈性蛋白。這意味著這種材料在受到外力后，幾乎可以完全恢復(fù)原狀，不易變形。
這項(xiàng)研究突破了傳統(tǒng)聚氨酯“強(qiáng)則脆，彈則弱”的難題，為高彈性聚氨酯材料的研發(fā)提供了新的方向,有望在高端工程領(lǐng)域，如輪胎、密封件、減震器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
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