超級凝膠百變用途-科學人雜誌
材料科學

超級凝膠百變用途

2022-07-01 布希維克(Sophie Bushwick)
新型離子凝膠既堅韌又能延展,而且容易製作。
▲ 夢幻材料:離子凝膠有利於3D列印和更多應用。(影像來源:AzmanL/Getty Images)

又軟又具彈性的水膠(hydrogel)有著五花八門的應用,從軟式隱形眼鏡到果凍都是,然而所有水膠都有共同結構:浸泡在水中時會相互糾纏的聚合物長鏈網絡。現在研究人員已經發展出水膠的類似型式:離子凝膠(ionogel),更為堅韌,應用範圍可能更廣,包括壽命更長的電池。

離子凝膠的聚合物並非浸泡在水裡,而是在一種離子液體中。這種流體由帶正電和帶負電的離子構成,就像食鹽的結構,但離子液體在室溫下不會形成晶狀固體。儘管如此,離子間的強力鍵結能確保液體不像水一樣蒸發。而且由於離子的黏著力,浸泡在離子液體中的聚合物可以比水膠更強韌。

美國北卡羅來納州立大學的化學工程師狄基(Michael Dickey)和同事設計出一種新方法來製作離子凝膠,他們把這種凝膠的機械性質形容為「第一名」。

這種凝膠比軟骨和天然橡膠更不容易破裂,同時又能保持柔軟和延展性。(狄基說,有一類離子凝膠可以拉長到原來的七倍,比橡皮筋的兩倍還多。)他的團隊研發的新型凝膠和其他離子凝膠一樣,可以導電,且即使溫度變化仍可維持穩定。如果把它加熱,切口或撕裂處還能自行癒合。狄基團隊在發表於今年2月《自然.材料》(Nature Materials)的研究中,描述了這種新材料。

麻省理工學院(MIT)的機械工程師趙選賀(Xuanhe Zhao)審查了這篇論文,他並沒有直接參與研究,他評論:「這些透明離子凝膠的機械性質格外堅韌,而且製作過程簡單,令人驚豔。」其他研究人員也研發出自己的離子凝膠,但製作過程通常涉及繁複的步驟或複雜的化學作用。

狄基團隊的新配方只需要把一種離子液體和兩個不同類型的聚合物基本構造單元(稱為單體)混合,然後用光照這種液體,觸發單體連結起來,形成聚合物長鏈。狄基說:「在這項研發中,一加一等於100。你拿出兩種本來很普通的材料,然後放到這種新環境中,就會得到非常堅韌的東西。」

這類容易製作的離子凝膠可以有許多應用。其韌性和延展性成為車禍撞擊或爆炸時保護襯墊的材料選項;離子凝膠暴露在光照下會固化,因此其中一種配方可應用於以3D列印製造出堅固物品。而由於離子可帶電,離子凝膠也能應用於充電電池,研究人員表示,比起目前使用的液態電解液更能抵抗降解劣化。

狄基說,上述這些只是少數幾種可能性,「如此容易製作、性質又這麼棒的材料,一定會發展出新的應用方式,甚至很可能超出我的想像。」


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