近日，NTNU 的研究人员开发了一种新材料，该材料克服了先前在极强蜘蛛丝的启发下在韧性和刚度之间进行权衡的问题。这种材料是一种被称为弹性体的聚合物，因为它具有类似橡胶的弹性。新开发的弹性体具有在一个重复单元中具有八个氢键的分子，正是这些键有助于均匀分布施加在材料上的应力并使其如此耐用。

更硬更坚韧的材料

科学家此前曾指出，蜘蛛丝——特别是提供蜘蛛网辐条和外缘的拉索丝——既异常坚硬又坚韧。

刚度和韧性在工程中是不同的特性，通常是对立的。坚硬的材料在变形之前可以承受很大的应力，而坚韧的材料在断裂之前可以吸收大量的能量。例如，玻璃坚硬但不坚韧。

引入比平常更多的氢键的想法来自大自然。“蜘蛛丝含有相同的结构，”作为博士和博士后工作的一部分开发了这种新材料的 Yizhi Zhuo 说。“我们知道它会产生非常特殊的性能。”

“八个氢键是非凡机械性能的起源，”NTNU 结构工程系力学与材料教授张志良说。该材料由 NTNU NanoLab 开发，部分由挪威研究委员会资助。

不同的硬域和软域

到目前为止，在合成弹性体中复制蜘蛛丝的双重刚度和韧性是不可能的。“对于商业材料，如果您想要更高的刚度，则您的韧性会更低。这是一个权衡。你不能两者兼得，”张教授说。

该团队的新型弹性体具有不同的硬域和软域。在设计和制造之后，该团队使用原子力显微镜（分辨率为几分之一纳米）来观察材料的底层结构，并观察硬区和软区之间的界面。他们发现，除了分布应力的八个氢键之外，硬域和软域之间的刚度不匹配有助于通过鼓励任何裂缝分支而不是沿着直线路径继续进一步耗散能量。“如果你有一个锯齿形，你会产生一个大的断裂面并耗散更多的能量，所以你有更高的韧性，”张教授说。

未来的应用和发展

除了其机械性能外，该材料还具有光学透明性，研究表明它甚至可以在高于 80°C 的温度下自我修复。如果可以扩大生产规模，这种新材料有朝一日可以用于柔性电子产品——尤其是更容易损坏和破损的可穿戴设备。

张和他的同事在 3 月份为他们的材料申请了专利，但他们继续致力于为它引入其他理想的特性。他们材料中的软域由一种称为 PDMS 的硅基聚合物组成，但研究人员怀疑他们可以通过用其他物质进行试验来进一步提高机械性能。

他们还希望将材料的特性扩展到包括防冰——在低温下阻止冰粘在上面——以及防污——防止贻贝和藻类等水生生物附着在上面——因此它可以在极端条件下使用，例如作为北极。“这种材料是一个很好的起点，但我们想添加一些其他功能，”张教授说。