源
《科学天下》文
魏昕宇
本文接让塑料占有”影象”，一共须要几步？(上)
节俭单到繁杂
在前方咱们提到，唯有抉择熔点或许玻璃化变化温度适宜的围拢物并将围拢物分子交联起来，咱们就能够获得形态影象围拢物。不过实践上，交联并不是完结形态影象围拢物必需的前提。不信的话，咱们来看上面这个例子。
在上篇咱们提到，聚己内酯的熔点在60oC左右，假若把它直接交联起来，就能够获得形态影象围拢物。目前咱们不举办交联，而是把它和另一种名为聚甲基丙烯酸环己酯的围拢物接连起来孕育新的围拢物分子。聚甲基丙烯酸环己酯不能孕育晶体，其玻璃化变化温度在oC左右。假若咱们在oC的温度下施加一个外力，那末围拢物分子中聚己内酯部份处于液态，能够被拉伸，但是聚甲基丙烯酸环己酯部份仍旧处于固态，是以围拢物分子互相仍旧会接连在一同，相当于存在一个三维的网络。是以总的成果是外力存在时材料形态会改观，但外力撤退后材料就会回到初始的形态，也即是说具备和橡胶雷同的弹性。
但是这类弹性的存在并非依赖于分子之间的共价键，而是特定的物理效用。如此的物理效用也被称为物理交联，而前方提到的经过化学键获得的交联偶尔也对应地称为化学交联。假若咱们将整块材料坚持在被拉伸的状况并降温至30oC，跟着聚己内酯的结晶，整块材料遗失了弹性，因而形态就被不变下来，但假若将它的温度从头抬高到oC，跟着弹性的复原，材料又能够复原到原有的形态。
上头这个例子理会地奉告咱们，经过物理交联，咱们一样能够获得形态影象围拢物。这不但大大拓宽了形态影象围拢物的品种，况且这一类形态影象围拢物再有一个显著的好处，那即是假若将温度抬高到分子中悉数构成部份的变化温度以上，那末围拢物就会统统凝结，进而能够从头加工成其它形态。相悖，经过化学交联获得的形态影象围拢物的初始形态曾经不变无奈改观，是以一旦废除后就很难回收再操纵。
不过聪颖的科学家料到了更多。他们先把聚己内酯和聚甲基丙烯酸环己酯连到一同，再把这些围拢物的分子经过化学交联变成一个三维网络。接下来他们把悉数材料加热到oC，这个温度既高于聚己内酯的熔点也高于聚甲基丙烯酸环己酯的玻璃化变化温度，是以悉数围拢物分子都邑体现出液体的性质，但由于化学交联的存在，材料仍旧会体现出弹性。假若咱们在这个温度下让材料变形，在外力存在的境况下落温至oC，而后撤去外力。在这个温度下，聚甲基丙烯酸环己酯曾经变成固体，是以材料无奈统统回到初始的形态A，而是保存在新的形态B。但由于这个温度仍旧高于聚己内酯的熔点，是以材料仍旧具备必定的弹性。假若咱们在这个时间使劲把材料的形态由B变成C，在坚持外力的境况下将材料降温至30oC。跟着聚己内酯的结晶，整块材料统统遗失了弹性，坚持在新的形态C.假若将材料的温度抬高至oC，材料的形态会从C变成B，延续升温到oC，材料又会回到初始的形态A[1,2].
具备多重形态影象能耐的形态影象围拢物（图片引自参考文件[3]）
不丢脸出，平凡的形态影象围拢物只可“记着”一种形态，但经过将两种不同的交联效用分离起来，咱们能够让围拢物“记着”两种形态。经过近似的道理，咱们还能够完结更为繁杂的形态影象动做，让材料“记着”更多的形态[3]。无庸质疑，这类占有多重影象能耐的形态影象围拢物大大拓宽了形态影象围拢物的本能和运用领域。
从单向到双向
形态影象围拢物即使具备能够随温度变动改观自体态状的特点，但也有一个显然的弊端，那即是这类变动不过单向的。当温度抬高时，跟着材料弹性的复原，形态影象围拢物能够回到初始的形态；但温度下降时，它们并不能主动改观形态。但是很多运用处所须要材料能够在升温顺降温时均能够主动产生形态变动。那末何如餍足这个请求呢？
过去面的讲解不丢脸出，形态影象围拢物之因此能够在升温时产生形态变动，实践上由于咱们事前在材料处于其变化温度以上时经过使劲改观了它的形态。是以，要想完结双向的形态变动，材料就必须要“独立复活“，也即是在没有外力的境况下，在降温进程中它能够对本身使劲进而改观形态。这听起来像是胡思乱想，但聪颖的研讨人员仍旧找到了可行的法子。
还记得适才提到的能够“记着”两种形态的形态影象围拢物吗？这一次研讨人员坚持分子中聚己内酯部份稳定，将聚甲基丙烯酸环己酯部份换成了另一种名为聚十五内酯的围拢物。聚十五内酯能够结晶，况且它的熔点要比聚己内酯胜过30-40oC.假若咱们将材料升温至两种围拢物的熔点以上，使劲拉伸，将它的形态从C改观成B，而后在坚持拉伸的境况下落温至两种围拢物的熔点下列，比方0oC，那末新的形态B就会被不变下来。假若咱们再将材料的温度升至高于聚己内酯的熔点但低于聚十五内酯的熔点，比方50oC,那末材料的形态会从B变成新的形态A。到此为止，这类材料的体现与前方提到的能够影象多重形态的形态影象围拢物并无不同。
但是接下来产生的局势就万分乐趣了。假若将材料从50oC降温至0oC，材料居然会从A形态回到B形态。一再起落温进程，材料的形态会持续地在A和B之间变化。假若你对这一进程“玩腻了”，还能够把材料从头升温到两种围拢物熔点以上，让它回到初始形态C。接下来反复前方的环节，咱们又能够让材料跟着温度起落在别的两种形态A’和B’之间产生变化。也即是说，这类材料不但有影象力，还能够完结双向的形态变动[4]。
那末这类双向变动是何如完结的呢？当这块材料在被拉伸的状况下落温至0oC时，分子中聚己内酯和聚十五内酯两部份不但都邑结晶，况且由于外力的效用，分子链段在结晶时会顺着受力方位布列。当材料升温至50oC时，材猜中聚十五内酯仍旧坚持结晶状况材猜中，但聚己内酯的晶体则会凝结，看上去像是毛线从绷紧变蜷曲。当材料再次降温至0oC时，聚己内酯部份又会从头结晶。由于遭到了聚十五内酯晶体布局的影响，聚己内酯从头结晶时，分子仍旧会顺着以前的受力方位布列，当蜷曲的“毛线“们倏忽悉数顺着一个方位再次绷紧时，就相关于一对无形的手拉伸了材料。是以，降温进程中，即使咱们并没有使劲，材料仍旧会产生形变[4]。尔后，更多的具备双向变动能耐的形态影象围拢物被挖掘出来。它们的化学布局即使有所不同，但都是倚赖围拢物结晶孕育的拉伸来完结双向的形态变动[5,6]。毫无疑义，这一觉察将会极地面扩大形态影象围拢物的运用领域。比方咱们能够把这类材料做成经过温度变动来抓取和释放物体的手臂。
能够完结双向形变的形态影象围拢物能够被用于缔造触手等设立，经过温度起落来完竣特定操纵。（图片引自参考文件[4]）
从直接来往到长途遥控
形态影象围拢物的形态变动须要调理温度来完结，这关于一些运用不是题目，但在别的一些场所下或许就成为对比致命的弊端。比方关于植入体内的形态影象围拢物，用导线把它们与体外的加热源邻接总归是不太便利。在这类境况下，咱们就期望材料形态的变动能够改由光来遏制，进而完结宗旨埋头的长途遏制。
何如完结光启动的形态影象围拢物？一种可行的措施是在平凡的形态影象围拢物中增加一些能够剧烈摄取看来光、紫内线或许红内线并将光能转折为热能的材料。当咱们用特定波长的光晖映形态影象围拢物时，这些材料就能够将围拢物加热到它的变化温度以上，进而让围拢物复原到初始的形态。这类法子即使不过将直接的加热换了一个“包装”，不少时间却能够带来很大的便当。
别的一种法子则是直接经过光来启蒙围拢物的性质产生变动，进而完结形态影象的特点。比方从肉桂这类罕用香猜中能提掏出一种名为肉桂酸的化合物。肉桂酸有个特点，在波长大于纳米的紫内线晖映下会“抱团”，两个肉桂酸分子产生反映孕育一个新的分子，而在波长小于纳米的紫内线晖映下，这个新的分子又会从头变成两个肉桂酸分子。假若把肉桂酸布局引入到橡胶的分子中，使劲让橡胶变形，坚持外力用波长大于纳米的紫内线去晖映它，肉桂酸布局之间的反映会使得相邻的分子被连在一同。由于额外引入了新的交联点，当外力撤退时，材料仍旧会必定水平上坚持新的形态。而当咱们用波长小于纳米的紫内线去晖映材料时，由于这些额外的交联被摧残，是以材料又复原到原有的形态[7]。
光控的形态影象围拢物：材料初始形态为(a)，在外力效用下变成形态(b)，同时用波长大于纳米的紫内线晖映，外力撤去后材料仍旧会坚持形态(b)。假若再用波长小于纳米的紫内线晖映材料，材料又会回到与初始形态很亲近的形态(c)（图片引自参考文件[7]）
几十年来，形态影象围拢物走过了从无到有、从有到优的道路。能够必定的是，这条路还远没有来到尽头，是以，在未几的未来，形态影象围拢物这一类特殊的材料还将会有更大的做为。
参考文件和评释
[1]I.Bellin,S.Kelch,R.Langer,A.Lendlein,“Polymerictriple-shapematerials”,ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,,,
[2]MarcBehl,IngoBellin,SteffenKelch,WolfgangWagermaier,AndreasLendlein,“One-StepProcessforCreatingTriple-ShapeCapabilityofABPolymerNetworks”,AdvancedFunctionalMaterials,,19,
[3]TaoXie,“Tunablepolymermulti-shapememoryeffect”,Nature,,,
[4]MarcBehl,KarlKratz,J?rgZotzmann,UlrichN?chel,AndreasLendlein,“ReversibleBidirectionalShape-MemoryPolymers”,AdvancedMaterials,,25,
[5]MarcBehl,KarlKratz,UlrichNoechel,TilmanSauter,andAndreasLendlein,“Temperature-memorypolymeractuators”,ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,,31,
[6]JingZhou,SaraA.Turner,SarahM.Brosnan,QiaoxiLi,Jan-MichaelY.Carrillo,DmytroNykypanchuk,OlegGang,ValerieS.Ashby,AndreyV.Dobrynin,SergeiS.Sheiko,“Shapeshifting:ReversibleShapeMemoryinSemicrystallineElastomers”,Macromolecules,,47,
[7]AndreasLendlein,HongyanJiang,OliverJünger,RobertLanger,“Light-inducedshape-memorypolymers“,Nature,,,
预览时标签不行点收录于合集#个