新型智能材料可定時變形

浙江大學教授謝濤與趙騫團隊利用熱致相分離水凝膠構(gòu)建了可按需自發(fā)變形的形狀記憶高分子，闡明了該類變形行為的機理及調(diào)控方法，并結(jié)合4D打印技術(shù)初步展現(xiàn)了該類材料用做醫(yī)療手術(shù)器件的獨特潛力。

2020年，日本北海道大學教授龔劍萍開發(fā)出的一類新型水凝膠進入浙江大學研究團隊的視野。他們發(fā)現(xiàn)，這類材料具有復雜的變形行為——不僅具有形狀記憶，而且“知道”什么時候要恢復記憶；回彈不僅延遲，而且是定時發(fā)生的。

經(jīng)過研究，該團隊發(fā)現(xiàn)這類材料背后有一套獨特的變形機制：材料從熱變冷時，內(nèi)部有兩股力量在“競爭”：一方是保持臨時形狀的力，一方是恢復原始形狀的力。開始時，保持臨時形狀的力占絕對優(yōu)勢，雙方的力量差會達到1000倍以上。在很長一段時間內(nèi)，材料會停留在臨時形狀，紋絲不動；而隨著時間推移，保持臨時形狀的力持續(xù)不斷下滑，材料就會出現(xiàn)肉眼可見的變形。研究顯示，在力量差為20倍時，材料會出現(xiàn)5%的變形。

研究人員通過磁共振成像對這種按需自發(fā)變形行為的內(nèi)在機理進行了深入探究，證明該現(xiàn)象受控于材料內(nèi)部的水分子擴散過程。基于機理的把握，研究人員得以利用“延時”來創(chuàng)造“定時”：操作方法非常簡單，只需調(diào)控一個參數(shù)——熱編程時間。目前能實現(xiàn)的最長“休眠期”為46分鐘。

有了這樣的調(diào)控手段，研究人員就能根據(jù)“休眠期”的長短，事先對材料的不同位置設(shè)置不同的熱編程時間，使得形變按時按需依次展開。

他們概念性地展示了4D打印制備的延時變形血管支架。該支架從進入體內(nèi)到輸送到目標部位需要一定時間，如果依賴人體溫度的觸發(fā)，普通的形狀記憶支架材料在到達目的地之前就會發(fā)生形變；而應(yīng)用“休眠期”的定時變形器件，該支架能夠在到達目標位置后啟動形變。

研究團隊認為，具有定時變形效應(yīng)的器件有望在生物醫(yī)學工程、深空深海探測等方面發(fā)揮獨特的優(yōu)勢。

（來源：《中國科學報》）