对同一材料的不同区域进行编程，科学家牛了！

研究人员最近设计了一种新型聚合物材料。在光的控制下，它的网络拓扑可以以多种形式变化，表现出非常不同的宏观性能。

两个塑料“弹簧”正在接受拉力测试。当一片拉伸到原来长度的1.5倍时，它就塌了(左)；另一片被牢牢地拉长到两倍的长度(右)。它们使用相同的材料，唯一的区别是第二块塑料被光“点击”。

写作|周伟

资料来源|浙江大学学术委员会

浙江大学化学工程与生物工程学院的谢涛教授团队最近设计了一种新型聚合物网络(TIN)。在光的控制下，它的网络拓扑可以变化成多种形式，表现出完全不同的宏观性能。这意味着人们可以对同一种材料的不同区域进行“编程”，一次生产多种材料的复杂产品。

改变“葡萄园”

谢涛教授和他的团队研究了一种在我们生活中很常见的网络聚合物。例如，橡胶轮胎和波音787机身的材料都是网络聚合物。它们的强大特征来自于网络交联结构——分子结构有点像一个有交错树枝和卷须的葡萄园。长分子链的主链通过共价键交联，交织成网络结构。主链有时与长支链相连，就像一串“葡萄”。

现在，科学家们已经进入了这种聚合物“葡萄园”，用一束光来增加“葡萄簇”的数量，并缩短每个簇。材料的核磁共振图像显示主链上的侧链明显增加，侧链变短，而主链网络保持不变。谢涛教授认为这是一种拓扑异质性。“这就像用同一堆乐高积木建造不同的结构。”

高分子材料的拓扑结构，即分子的连接方式，决定了材料的宏观性能。具有较长侧链的材料的分子更容易紧密排列，并且具有更高的结晶度和硬度(例如，花生油比橄榄油更容易结晶和沉淀，因为花生油的分子链比橄榄油长)。随着侧链变得越来越短和越来越多，材料的硬度将会降低，并在宏观上变得更加柔软。

当大分子能够像变压器一样改变它们的拓扑结构时，它们的性能也会发生很大的变化。在塑料“弹簧”的拉伸试验之前，弹簧的几个“接头”通过光取向在拓扑上“编程”，并且“编程”的位置变得更软，因此“弹簧”显示出更好的延展性。

赋予物质n种“生命”

这种可编程聚合物材料被称为拓扑异构网络聚合物，它的英文对应物是拓扑异构网络(TIN)。不同的光照条件会触发它变成不同的材料。“这就像是‘待定’的材料。你可以根据自己的需要把它变成你想要的。”研究小组成员之一的副教授赵倩说，这种材料含有一种光敏催化剂。在光触发和热的作用下，聚合物的拓扑结构会发生变化。

在此之前，大多数网络聚合物的“表征”发生在聚合阶段，此后不能改变。当网络交联结构形成时，材料的性质被确定。这就像根据烘焙食谱制作甜点一样，烘焙食谱决定面包还是蛋糕。另一方面，人工智能包含许多可能性。当你把它放进烤箱后，你还有另外一个选择:面包还是蛋糕？

谢涛教授的研究团队长期从事网络聚合物的研究，通过设计不同的共价聚合物网络来探索具有不同特性的材料。2016年，研究小组提出了一种“热适应性形状记忆聚合物”，其网络共价键可以在特定温度下进行“手动改变”重组，从而使材料具有形状记忆功能。“材料的形状可以通过易手来重塑，但这一过程并没有实质性地改变网络拓扑。易手前后网络拓扑没有变化，但仍然是相同的材料。”赵倩说。

谢涛教授认为，TIN代表了一种新的聚合物设计理念，它将网络拓扑从不可改变变为可改变，赋予材料不同生命的可能性。目前，它可以变成塑料或橡胶。

其他方法？

世界各地的其他科学家也关注聚合物网络的拓扑结构。2018年出版了两部主要作品。

佛罗里达大学的布伦特·苏美尔林教授建议在超支化聚合物的分支点或线性嵌段共聚物的连接点上嵌入一个可逆的共价键。在特定温度和附加分子的参与下，聚合物的拓扑结构可以从星形到梳状进行重组。麻省理工学院的Jeremiah Johnson研究小组通过引入光响应金属有机分子笼作为超分子网络的交联点，实现了可以在两种拓扑状态之间转换的超分子材料。这种方法依靠光的持续“增强”来维持稳定的结构。

“TIN不需要添加额外的物质，并且在拓扑结构被光调节后，它的结构可以保持稳定而不依赖于光的存在。这种共价网络的异构化机制与以前的拓扑重组系统非常不同。不需要额外的分子来参与材料的编程控制和未来的潜在应用。”谢涛教授说。

如果材料可以编程

如果物质可以被编程，我们只需要准备好“源”材料，我们就可以随心所欲地制造它。这样的“天方夜谭”出现在电影《变形金刚4》中:斯坦利·图茨把悬浮在空中的一堆小方块称为“可编程物质”，它们变成了音响系统和手枪...

图为变形金刚4的剧照。

尽管这个梦想还很遥远，但锡已经显示出它作为一种可编程物质的潜力。在TIN的系统中，编程语言是“光”，它控制聚合物网络内部的拓扑结构。这样，一种材料有可能变成N种材料，或者可以制成多种材料的混合物，从而实现各种新颖的结构和功能。

研究小组做了初步尝试，他们用塑料和橡胶做了一根复合“绳子”。在不同的温度下，具有形状记忆功能的塑料和形状基本固定的橡胶“扭曲”出丰富多样的形状。这一尝试表明，当我们能够“规划”材料的不同空间区域时，我们就能够设计出各种前所未有的功能材料。这将极大地丰富设计师的材料基础，在柔性电子、人工肌肉、智能服装等新兴领域显示出广阔的应用前景。

相关研究论文发表在3月28日的《科学进展》杂志上。

原创文章:

动态共价聚合物网络中的光触发拓扑可编程性，《科学进展》，2020年3月27日，第6卷，第13期，美国地质调查局，2362年

原标题:可编程聚合物来了，它给材料N种“生命”