鋼鐵俠的戰(zhàn)甲可以任意變換形態(tài)，綠巨人浩克的皮膚被破壞摧毀后會(huì)自愈再生，蜘蛛俠的身體能夠承受數(shù)十噸重物······2月25日，中國(guó)化工報(bào)記者從天津大學(xué)了解到，該校封偉教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種新型智能材料——智能變色液晶高分子薄膜，有望將這些出現(xiàn)在科幻電影里的魔幻場(chǎng)景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這種新材料很“聰明”，不僅能力致變色，還有形狀可編程和室溫自修復(fù)功能。
“聰明”的變色材料
自然界有很多生物具有“自適應(yīng)變色偽裝能力”，最著名的當(dāng)屬變色龍。它可以根據(jù)環(huán)境的不同而改變身體的顏色。這也一直是很多科學(xué)家想要獲得突破的研究方向，模仿自然界生物體的智能變色隱身機(jī)制，從而開發(fā)新型仿生智能變色材料與技術(shù)。
仿生智能變色技術(shù)在工業(yè)、生產(chǎn)生活等領(lǐng)域都具有重大意義。封偉團(tuán)隊(duì)就是受到變色龍智能變色機(jī)制的啟發(fā)。他們?cè)谶M(jìn)行過近百次測(cè)試后，篩選出動(dòng)態(tài)共價(jià)硼酸酯鍵，并將其引入主鏈型膽甾相液晶彈性體中，再利用熱激發(fā)動(dòng)態(tài)硼—氧鍵的交換特性，制備出智能變色液晶高分子薄膜這種新型材料。
這種新材料的厚度只有200微米，兼具力致變色、形狀可編程和優(yōu)異的室溫自修復(fù)能力：在被拉伸時(shí)可以發(fā)生顏色變化;被切斷后在斷口處加幾滴水，一段時(shí)間后就能重新愈合;可以被拉伸成任意二維或三維形狀并保持不變，當(dāng)加熱到相變溫度以上后，又能恢復(fù)到最初的形狀。
神奇的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵
智能變色液晶高分子薄膜所具有的可編程性能和自修復(fù)能力，都是緣于在液晶高分子網(wǎng)絡(luò)中所引入的動(dòng)態(tài)共價(jià)硼酸酯鍵。
這個(gè)動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵有多神奇呢?據(jù)研究團(tuán)隊(duì)成員楊言昭博士介紹，這種動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵遇到水分子后會(huì)發(fā)生斷裂，再水揮發(fā)干后又會(huì)重組。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里將制備的液晶高分子薄膜切成兩半，在斷口處滴幾滴水，室溫下放置24小時(shí)后，神奇的事情發(fā)生了，薄膜自己愈合了。研究人員還對(duì)愈合后的材料進(jìn)行了拉伸測(cè)試和承重測(cè)試，“破鏡重圓”后的薄膜再拉伸到原始長(zhǎng)度近2倍時(shí)也沒有再斷開，還能承受自身1000倍的重量。
這一自愈合特性如果能加以應(yīng)用，將會(huì)產(chǎn)生不凡的效果。記者設(shè)想了一下，如果橡膠、塑料、纖維等大宗高分子材料都具有類似的自愈合功能，在長(zhǎng)時(shí)間使用后還會(huì)保持如新，即使破損也能夠方便快捷地恢復(fù)如新，相當(dāng)于延長(zhǎng)了這些重要工業(yè)材料的使用壽命，極大程度上減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
動(dòng)態(tài)共價(jià)硼酸酯鍵還賦予了該材料“記憶編程”特性。室溫下該材料是彈性的，可以被拉伸成任意形狀，如螺旋形、波形、圓柱形等。加熱到動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵激活溫度時(shí)，材料從彈性變化到塑性，并能夠保持形狀不變。再繼續(xù)加熱到相變溫度以上后，該材料又恢復(fù)到最初的形狀和顏色。
多變的應(yīng)用場(chǎng)景
智能變色材料在生活中已有應(yīng)用。比如在輪胎邊緣加入變色高分子材料制成智能輪胎，當(dāng)溫度超過正常使用溫度時(shí)，輪胎會(huì)變色預(yù)警;將智能變色涂料鍍膜在木材、金屬、陶瓷等基材上，做成指示冷熱用的變色茶杯、嬰兒用的湯勺、奶瓶;將智能變色材料涂布在織物上做成變色服裝，隨著季節(jié)、時(shí)間、地區(qū)不同而呈現(xiàn)多變的色彩等。
智能變色高分子材料是個(gè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的研究課題。封偉教授表示，他們的這項(xiàng)研究提供了一種簡(jiǎn)單通用的方法，為智能仿生變色偽裝材料、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和軟體機(jī)器人等技術(shù)的發(fā)展開辟了新道路，在服裝、包裝材料等方面也有巨大應(yīng)用潛力。
不過目前這種智能變色液晶高分子材料還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在制備方法上還存在很多難點(diǎn)，包括更加精確控制液晶單體分子自組裝，實(shí)現(xiàn)大面積均勻明亮的結(jié)構(gòu)色。未來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)在仿生變色偽裝材料應(yīng)用方面進(jìn)行深入研究，比如將智能變色液晶高分子薄膜與顏色識(shí)別系統(tǒng)相結(jié)合，顏色識(shí)別系統(tǒng)將背景的顏色信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱W(xué)信號(hào)，利用薄膜的力致變色特性，使材料的顏色能夠與背景環(huán)境的顏色相匹配，實(shí)現(xiàn)智能變色偽裝的目的。