遇熱變“鋼鐵俠”，降溫秒回“皮膚”般柔軟的新型智能材料！

你見過遇熱瞬間變硬、降溫后又能“秒回”柔軟的智能材料嗎？這種科幻感十足的材料，正是科學(xué)家們近年來致力研發(fā)的熱致硬化水凝膠。它能在高溫下化身“鋼鐵俠”抵御沖擊，冷卻后又變回“皮膚”般柔軟，堪稱未來柔性機(jī)器人、自適應(yīng)護(hù)甲的理想材料。然而，傳統(tǒng)熱致硬化水凝膠有個(gè)致命缺點(diǎn)——降溫恢復(fù)太慢，動(dòng)輒需要30分鐘以上，嚴(yán)重限制了實(shí)際應(yīng)用。

近日，東華大學(xué)武培怡、孫勝童團(tuán)隊(duì)在《國家科學(xué)評論》（National Science Review）發(fā)表研究成果，提出一種“高熵相分離”策略，成功將熱致硬化水凝膠的恢復(fù)時(shí)間從23分鐘縮短至28秒，同時(shí)保持其遇熱變硬的核心性能！這項(xiàng)突破如何實(shí)現(xiàn)？背后的科學(xué)原理又是什么？讓我們一探究竟。

1 熱致硬化水凝膠：遇熱變硬的“矛盾體”

傳統(tǒng)材料（如塑料）遇熱會(huì)變軟，但熱致硬化水凝膠卻反其道而行——溫度越高，硬度飆升。其秘密在于材料內(nèi)部的鈣離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：常溫下，聚合物鏈松散纏繞，材料柔軟可拉伸；加熱后，鈣離子與羧酸根結(jié)合更緊密，聚合物鏈脫水收縮，形成致密的玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)，硬度瞬間提升數(shù)百甚至上萬倍。

然而，這種“硬漢模式”也存在代價(jià)：降溫時(shí)，致密的玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)需要重新吸水溶解，過程極其緩慢。就像一塊壓縮餅干泡水，外層吸水膨脹后，內(nèi)部仍干硬難化。傳統(tǒng)水凝膠恢復(fù)需半小時(shí)以上，完全無法滿足即時(shí)響應(yīng)需求（如軟體機(jī)器人快速變形）。

2 高熵設(shè)計(jì)：給玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)“松松綁”

研究團(tuán)隊(duì)從高熵材料中汲取靈感。所謂“熵”，可理解為系統(tǒng)的混亂度。高熵合金等材料因原子排列高度無序，性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料。團(tuán)隊(duì)將這一理念引入水凝膠設(shè)計(jì)：在聚合物網(wǎng)絡(luò)中嵌入親水單元（如丙烯酰胺），打亂鈣離子交聯(lián)簇的緊密堆積，形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更松散、相界面更大的“高熵玻璃態(tài)”。

打個(gè)比方，普通玻璃態(tài)像緊密堆疊的積木，拆解費(fèi)力，而高熵結(jié)構(gòu)像積木間插入了小球，留出更多縫隙，拆解時(shí)一推即散。實(shí)驗(yàn)中，添加20%丙烯酰胺的優(yōu)化水凝膠，在80 oC下硬度仍能飆升760倍，但恢復(fù)時(shí)間僅需28秒！

高熵相分離熱致硬化水凝膠的工作原理

3 性能實(shí)測：柔軟與剛韌的“一鍵切換”

常溫性能：添加丙烯酰胺的水凝膠柔軟如皮膚，可拉伸20倍并快速回彈，貼合各種彎曲表面。
高溫性能：遇熱后秒變“超硬材料”，承載1公斤重物毫無壓力，抗沖擊性能提升至474 J/m。
快速恢復(fù)：降溫時(shí)，高熵結(jié)構(gòu)加速吸水溶解，28秒內(nèi)從玻璃態(tài)恢復(fù)柔軟。

熱致硬化水凝膠的力學(xué)性能

科學(xué)意義：為智能材料設(shè)計(jì)開新路

這項(xiàng)研究不僅解決了熱致硬化水凝膠的軟化恢復(fù)難題，更提出了“高熵相分離”這一普適性策略。通過調(diào)控材料微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，未來可設(shè)計(jì)更多快速響應(yīng)、性能可調(diào)的智能材料，例如自適應(yīng)護(hù)甲（遇撞擊瞬間硬化，日常柔軟舒適），軟體機(jī)器人（熱觸發(fā)快速變形，執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)），可編程織物（隨體溫調(diào)節(jié)硬度，提供動(dòng)態(tài)支撐）等。