来自麻省理工学院和杜克大学的一组化学家发现了一种反直觉的方法来增强聚合物的强度:在材料中引入一些较弱的键。
研究人员使用一种被称为聚丙烯酸酯弹性体的聚合物，他们发现，只需使用一种较弱的交联剂连接一些聚合物构建块，就可以将材料的抗撕裂性提高10倍。
这些类似橡胶的聚合物通常用于汽车零部件，它们也经常被用作3d打印物体的“墨水”。研究人员现在正在探索将这种方法扩展到其他类型的材料上的可能性，比如橡胶轮胎。
“如果你能让橡胶轮胎的抗撕裂性提高10倍，这可能会对轮胎的使用寿命和脱落的微塑料废物的数量产生巨大影响，”麻省理工学院的化学教授耶利米约翰逊说，他是该研究的资深作者之一，发表在《科学》杂志上。
这种方法的一个显著优点是，它似乎不会改变聚合物的任何其他物理性质。
“聚合物工程师知道如何使材料更坚固，但这总是涉及到改变材料的其他一些你不想改变的特性。杜克大学化学教授、该论文的资深作者斯蒂芬·克雷格(Stephen Craig)说:“在这里，韧性的增强在物理性质上没有任何其他重大变化——至少我们可以测量到——而且它是通过替换整个材料的一小部分来实现的。”
这个项目源于约翰逊、克雷格和杜克大学教授迈克尔·鲁宾斯坦(Michael Rubinstein)之间的长期合作，他也是这篇论文的资深作者。这篇论文的第一作者是王舒，他是麻省理工学院的博士后，在杜克大学获得博士学位。
最弱的。墨水
聚丙烯酸酯弹性体是由丙烯酸酯链通过连接分子连接而成的聚合物网络。这些构建块可以以不同的方式连接在一起，以创建具有不同属性的材料。
通常用于这些聚合物的一种结构是星型聚合物网络。这些聚合物由两种类型的构件组成:一种是具有四个相同臂的星形结构，另一种是作为连接物的链。这些连接器连接在星臂的末端，形成一个类似排球网的网络。
在2021年的一项研究中，克雷格、鲁宾斯坦和麻省理工学院教授布拉德利·奥尔森合作测量了这些聚合物的强度。正如他们所料，他们发现，当使用较弱的末端连接物将聚合物链连接在一起时，材料变得更弱。那些含有环状分子环丁烷的弱连接剂比通常用来连接这些结构块的连接剂更容易断裂。
作为该研究的后续研究，研究人员决定研究一种不同类型的聚合物网络，其中聚合物链在随机位置与其他链交联，而不是在末端连接。
这一次，当研究人员使用较弱的连接剂将丙烯酸酯构建块连接在一起时，他们发现这种材料变得更耐撕裂。
研究人员认为，之所以会出现这种情况，是因为较弱的键是随机分布在材料中其他强链之间的连接，而不是最终链本身的一部分。当这种材料被拉伸到断裂点时，任何通过材料传播的裂缝都试图避开强键，而通过弱键。这意味着，如果所有的键都具有相同的强度，那么裂缝必须打破更多的键。
约翰逊说:“尽管这些键更弱，但更多的键最终需要被打破，因为裂缝会穿过最弱的键，最终形成一条更长的路径。”
艰难的材料
利用这种方法，研究人员发现，含有弱连接物的聚丙烯酸酯比含有强交联分子的聚丙烯酸酯更难撕裂9到10倍。即使弱交联剂只占材料总成分的2%，也能达到这种效果。
研究人员还表明，这种改变的成分并没有改变材料的任何其他特性，比如加热时的抗分解性。
约翰逊说:“两种材料在网络层面上具有相同的结构和相同的性能，但在撕裂方面几乎有数量级的差异，这是非常罕见的。”
研究人员现在正在研究这种方法是否可以用于提高其他材料的韧性，包括橡胶。
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