麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員設(shè)計(jì)了一種通過改變結(jié)構(gòu)以應(yīng)對(duì)光線的聚合物材料，使之從硬物質(zhì)轉(zhuǎn)化為在受損時(shí)可以自愈的柔性物質(zhì)。

麻省理工學(xué)院的化學(xué)副教授Jeremiah Johnson，是麻省理工學(xué)院科克綜合癌癥研究所(MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research)的一員，也是聚合物和軟物質(zhì)項(xiàng)目研究小組的人。他表示：“你可以來回切換材料的狀態(tài)，并且在每種狀態(tài)下，即使由相同成分構(gòu)成也像完全不同的材料。”

Johnson提出，這種材料由附著在感光分子上的聚合物組成，這種分子可以用來改變材料內(nèi)部形成的化學(xué)鍵。雖然這種材料可以用來涂覆汽車或衛(wèi)星等物體，使它們?cè)谑軗p后能夠愈合，但是在未來這些應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。

這篇發(fā)表在《Nature》雜志上的論文的作者是麻省理工學(xué)院研究生Yuwei Gu。其他作者還有麻省理工學(xué)院研究生Eric Alt、麻省理工學(xué)院化學(xué)助理教授Adam Willard、南佛羅里達(dá)大學(xué)的Heng Wang和Xiaopeng Li。

聚合物的許多特性，例如其硬度和膨脹能力，都受其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所控制，即和材料的成分是如何排列有關(guān)的事。通常，材料一旦形成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就不能被可逆地改變。例如，橡膠球保持彈性并且在不改變其化學(xué)組成的情況下不能變脆。

在本論文中，Johnson和他的同事們想要?jiǎng)?chuàng)造一種從未有過的材料，它可以在兩種不同拓?fù)錉顟B(tài)之間可逆地切換。他們意識(shí)到他們幾年前設(shè)計(jì)的一種聚合物金屬有機(jī)籠狀材料polyMOCs，該材料是使之實(shí)現(xiàn)的有希望的候選者。PolyMOCs由通過柔性聚合物連接金屬，形成籠狀結(jié)構(gòu)。

? ? ?研究人員通過混合附著在稱為配體的基團(tuán)上的聚合物來制造這些材料，這些基團(tuán)可以與金屬原子結(jié)合。每個(gè)金屬原子(在這種情況下一般是金屬鈀)可以與四個(gè)配體分子成鍵，形成具有不同鈀與配體分子比例的剛性籠狀簇。這些比率決定了籠狀簇的大小。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員打算設(shè)計(jì)一種可以在兩個(gè)不同大小的籠狀簇之間可逆切換的材料：一個(gè)具有24個(gè)鈀原子和48個(gè)配體，一個(gè)具有3個(gè)鈀原子和6個(gè)配體分子。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們將一種名為DTE的光敏分子納入配體中?；\子的大小由配體上的氮分子與鈀形成的鍵的角度決定。 當(dāng)DTE暴露在紫外光下時(shí)，它在配體中形成環(huán)，這增加了氮與鈀鍵合的角度。這使得簇破裂并形成更大的簇。

當(dāng)研究人員在材料上發(fā)出綠光時(shí)，環(huán)被破壞，鍵角變小，重新形成較小的團(tuán)簇。 這個(gè)過程大約需要五個(gè)小時(shí)才能完成，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以進(jìn)行七次逆轉(zhuǎn)。 每次逆轉(zhuǎn)時(shí)，總有一小部分聚合物不能逆轉(zhuǎn)，終導(dǎo)致材料分離。

當(dāng)材料處于小團(tuán)簇狀態(tài)時(shí)，它是正常狀態(tài)下柔性材料的的10倍且更具動(dòng)態(tài)性。Johnson說：“它們可以在加熱時(shí)流動(dòng)，這意味著你可以切割它們并且在溫和的加熱條件下自愈?！?/span>

這種方法克服了自修復(fù)材料通常會(huì)發(fā)生的問題，即它們往往在結(jié)構(gòu)上相對(duì)較弱。 在這種情況下，材料可以在較軟的自愈狀態(tài)和更剛性的狀態(tài)之間切換。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用聚合物聚 乙 二醇（PEG）制造材料，他們認(rèn)為這種方法可以用于任何種類的聚合物。潛在的應(yīng)用包括自愈材料，盡管這種方法要想得到廣泛應(yīng)用，鈀這種稀有而昂貴的金屬必須被一種更便宜的替代品所取代。

Johnson說，“任何由塑料或橡膠制成的東西，如果它在損壞時(shí)可以修復(fù)，那么就不必扔掉它。也許這種方法能夠使得材料具有更長(zhǎng)壽命。”

這些材料的另一個(gè)可能應(yīng)用是藥物輸送。 Johnson認(rèn)為將藥物封裝在更大的籠狀結(jié)構(gòu)里，然后讓它們暴露在綠光下使之打開并釋放是可能的。應(yīng)用綠光線也可以使藥物重新被捕獲，為可逆的藥物輸送提供一種新的方法。

? ?研究人員還致力于創(chuàng)造能可逆地從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的材料，并利用光在同一材料內(nèi)產(chǎn)生柔性和剛性的圖案。