文|陈根

形状记忆聚合物是一种刺激响应智能材料,在特定的外部刺激条件下可以根据预先设计的方式改变形状。近年来,形状记忆聚合物(SMP)的发展取得了明显进步,其自身的优势也得到了充分展示。

形状记忆聚合物具有密度低、变形量大、驱动方式丰富、生物相容性好等一系列优势,在航空航天、生物医学、仿生工程、电子元件、智能机器人等领域有着巨大的应用前景。但是,其在能量的储存方面还有较大提升空间。

近日,美国斯坦福大学的研究人员开发出一种形状记忆聚合物,其存储的能量几乎是以往版本的6倍,相关成果发表在了《美国化学会中心科学》上。

通常情况下,形状记忆聚合物的变形状态通过拉伸聚合物形成,并通过分子变化保持在适当的位置,可以在原始未变形状态和二次变形状态之间交替。例如动态键合网络或应变诱导结晶,聚合物通过释放存储的熵能恢复到原始状态。在这一过程中,需要聚合物储存大量能源。

于是,研究人员将4-、4 ' -methylene bisphenylurea单元引入到聚酯(丙二醇)聚合物主链中。在聚合物的初始状态下,聚合物链是杂乱无序的。拉伸导致链发生排列并在尿素基团之间形成氢键,进而形成稳定高度伸长状态的超分子结构。加热会导致化学键发生断裂,聚合物则会收缩到最初的无序状态。

在测试中,该聚合物可拉伸至其原始长度的5倍,能够储存高达17．9焦/克的能量,这几乎是之前形状记忆聚合物的6倍。研究人员还将预拉伸的聚合物连接到木制人体模型的上臂和下臂,用作人造肌肉。

加热时,材料收缩可以使人体模型在肘部弯曲手臂。拉伸后的材料可利用这种能量在加热时举起自身重量5000倍的物体。除此以外,该形状记忆聚合物易于制造,价格也较为便宜,原材料成本约为每磅11美元。未来,其有望在众多领域大展身手。