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【甘肅科技報】科學(xué)家造出仿生蜻蜓聚氨酯
甘肅科技報社融媒體中心訊（記者 ?張云文）??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構，讓蜻蜓擁有極低的剛度和極高的彈性。最近，中國科學(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，讓它既堅固耐用，又彈性十足，一舉突破了傳統聚氨酯“強則脆，彈則弱”的難題！
我們常見(jiàn)的輪胎、密封件，甚至減震器，都離不開(kāi)一種神奇的材料——聚氨酯。它既要有足夠的強度，又要有良好的彈性，才能勝任這些“重任”。 然而，長(cháng)期以來(lái)，聚氨酯材料面臨一個(gè)兩難的困境：想要更堅固，彈性就會(huì )降低；想要更彈性，強度又會(huì )不足。這就像魚(yú)和熊掌，難以兼得！
問(wèn)題出在哪里呢？科學(xué)家們發(fā)現，關(guān)鍵在于彈性恢復過(guò)程中的“熵罰”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是材料在拉伸形變后，如果內部結構變化太大，就很難完全恢復原狀，導致永久變形。傳統的增強方法雖然能提升強度，但也會(huì )限制分子運動(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肢彈性蛋白結構，利用一種叫做“低熵罰策略”的方法，在聚氨酯材料中構建了一種特殊的微相分離結構。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(guò)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)生結晶，就像一個(gè)此消彼長(cháng)的平衡過(guò)程。當拉力消失后，結晶的“軟甲”又會(huì )釋放能量，幫助材料恢復原狀。這種“熵—焓補償機制”就像一個(gè)聰明的調控器，讓材料在保持強度的同時(shí)，最大程度地減少彈性損失。實(shí)驗結果表明，這種新型聚氨酯材料的強度超過(guò)了80MPa，比大多數人造彈性體都要強！同時(shí)，它的回彈效率也超過(guò)了90%，堪比天然的生物彈性蛋白。這意味著(zhù)這種材料在受到外力后，幾乎可以完全恢復原狀，不易變形。
這項研究突破了傳統聚氨酯“強則脆，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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