變革性技術已經從跨越工業、生物醫學和電子應用的軟聚合物材料中實現。軟材料的可壓縮性和靈活性也激發了“科幻”型別的軟人形機器人，它們栩栩如生的特徵與傳統粗糙的金屬機器人形成鮮明對比。為了實現這樣的願景，軟材料已被製造成運動機器人、電子面板和軟致動器。然而，實現具有極高壓縮性、超高壓縮強度和在環境條件下完全自恢復的材料仍然是許多軟材料的侷限性。現在，在 Nature Materials 上，Zehuan Huang 及其同事報告了包含動態交聯基序的超分子聚合物網路，其解離速率可以透過結構設計進行調節，使這些軟材料具有高抗壓強度，在室溫下多次迴圈後不會破裂和快速恢復壓縮，即使在汽車反覆壓縮時也是如此。
基於作者先前的工作揭示了 CB[8] 對其空腔內苯基和全氟苯基客體之間的極性-相互作用的穩定作用，作者探索了由 CB[8] 和全氟苯基第一客體形成的雜三元配合物的動態特性受一系列芳香分子作為第二客體的影響（圖 1a）。目的是確定分子設計規則，以提供這些異源宿主 - 客體相互作用的可調結合親和力和解離率。他們發現這些特性與第二個客體的疏水性密切相關；增加這種芳香客體的疏水性會導致更高的親和力和降低的解離率，根據客體設計跨越幾個數量級。然後，作者將各種這些客體對結合到聚合物上以形成 CB[8] 介導的異三元交聯網路。這些材料的粘彈性由此可根據第二客體的解離速率進行調節。值得注意的是，具有緩慢解離速率的主客體複合物表現出從典型的橡膠狀狀態轉變為罕見的玻璃狀狀態。透過客體設計改變解離率的能力進一步揭示了動態超分子材料的新比例關係。
圖 1：具有緩慢動力學的超分子交聯產生具有極高可壓縮性的軟材料。
令人興奮的功能特性來自於這種玻璃狀體系中的超分子軟材料。例如，這些材料的抗壓強度高達 100 MPa，並且不會在重複壓縮至 93% 應變和隨後的鬆弛迴圈時破裂。取而代之的是，材料在壓縮後的室溫下在不到 2 分鐘的時間內完全恢復其原始特性。在汽車（~300 kg）的負載下反覆壓實並在每個迴圈中保持 1 分鐘（圖 1b），也產生了顯著的強度和可恢復性。為了展示這些材料在生物電子應用中的一種可能用途，Huang 及其同事製造了一種基於水凝膠的電容式壓力感測器，該感測器可以承受高達 2.5 MPa 的工作壓力。其超可壓縮性導致出色的靈敏度，當放置在人腳底下時，可以實時監測和識別與步行、跳躍和站立相關的壓力（圖 1c）。
材料設計的一個長期目標是將分子尺度特徵轉化為對散裝材料特性的控制。因此，超分子相互作用的可調性、定向性和可預測性為實現這一目標提供了一種強有力的方法。然而，使用非共價相互作用形成軟材料往往會導致可變形特性，從而限制了在需要適度壓縮的情況下的使用。透過減緩這些相互作用的解離速率，Huang 及其同事提供了一種正規化轉換方法來獲得動態超分子材料的有用特徵，例如固有的自愈能力，同時實現極端的可壓縮性和高強度。透過這項工作，表明“軟”和“動態”特徵並不一定意味著“弱”材料。相反，訪問這種不常見的玻璃狀體系為將超分子軟材料用於生物電子和軟機器人應用提供了新的可能性，匹配形式以實現更逼真的生物整合裝置的功能。
相關論文以題為Dynamic soft materials as tough as glass發表在《Nature Materials》上。通訊作者是Matthew J. Webber教授。
參考文獻：
doi.org/10.1038/s41563-021-01176-z
