材料的變形在生活中隨處可見，有的“一觸即發(fā)”，有的“循序漸進”。來自浙江大學(xué)的科研人員創(chuàng)造了一種新的變形方式：在觸發(fā)條件下，材料先要“休眠”一段時間再啟動變形，“休眠期”的長短由人為調(diào)控，就像安裝了定時器。

材料的變形如何做到定時響應(yīng)？浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院教授謝濤和趙騫團隊對變形機理進行了深入闡述。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于《自然》。

2020年，國外科研人員開發(fā)出一類新型水凝膠，受熱會變得堅硬。謝濤判斷，這可能是一種潛在的形狀記憶材料。團隊成員通過實驗進一步發(fā)現(xiàn)，這類水凝膠是一類具有延時變形特質(zhì)的水凝膠——變形的確會發(fā)生，只不過必須度過一段“休眠期”。

為什么新材料對于變形的“反射弧”特別長？研究團隊發(fā)現(xiàn)其背后有一套獨特的變形機制。

材料在從熱變冷時，內(nèi)部有兩股力量在“競爭”：一方是保持臨時形狀的力，一方是恢復(fù)原始形狀的力。開始時，保持臨時形狀的力占絕對優(yōu)勢，雙方的力量差會達到1000倍以上。

“就像小兔子拔蘿卜，開始時蘿卜埋得很深，土又很硬，拔不動?！壁w騫說，在很長一段時間內(nèi)，材料會停留在臨時形狀，紋絲不動；而隨著時間的推移，“泥土”發(fā)生松動，也就是保持臨時形狀的力持續(xù)不斷下滑，當雙方力量的差異不再顯著時，材料就會出現(xiàn)肉眼可見的變形。研究顯示，在力量差縮小到20倍時，材料會出現(xiàn)5%的變形。

隨后，研究人員通過磁共振成像對內(nèi)在機理又進行了深入探究，證明該現(xiàn)象受控于新型水凝膠材料內(nèi)部的水分子擴散過程。

基于機理的把握，科學(xué)家得以利用“延時”來創(chuàng)造“定時”。操作方法非常簡潔，只需調(diào)控一個參數(shù)——熱編程時間。目前能實現(xiàn)的最長“休眠期”為46分鐘。有了這樣的調(diào)控手段，科學(xué)家只要事先對材料的不同位置設(shè)置不同的熱編程時間，它們的“休眠期”就各有長短，可按次序發(fā)生形變。

研究團隊認為，這類定時變形效應(yīng)有望在深空深海、生物工程等領(lǐng)域發(fā)揮獨特作用，因為在許多場合中，“定時響應(yīng)”是比“即時響應(yīng)”更優(yōu)的解決方案。在論文中，他們概念性地展示了4D打印制備的延時變形血管支架：支架從進入體內(nèi)到輸送至目標部位需要一定時間，如果被人體溫度觸發(fā)，普通的形狀記憶支架材料在到達目的地之前就會發(fā)生形變；而定時變形器件得益于它的“休眠期”，能夠在到達目標位置后再啟動形變。

受此啟發(fā)，團隊科研人員還在醫(yī)學(xué)專家的指導(dǎo)下，設(shè)計了用于緩解干眼癥的智能全淚道栓塞器。

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