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【甘肅科技報】科學家造出仿生蜻蜓聚氨酯
甘肅科技報社融媒體中心訊（記者 ?張云文）??蜻蜓之所以能靈活飛行和跳躍，秘密在于其表皮中一種叫做“彈性蛋白”的物質(zhì)。這種彈性蛋白的特殊結(jié)構(gòu)，讓蜻蜓擁有極低的剛度和極高的彈性。最近，中國科學院蘭州化學物理研究所的科學家們，就從這種特殊蛋白質(zhì)身上找到了靈感，成功研發(fā)出了一種新型聚氨酯材料，讓它既堅固耐用，又彈性十足，一舉突破了傳統(tǒng)聚氨酯“強則脆，彈則弱”的難題！
我們常見的輪胎、密封件，甚至減震器，都離不開一種神奇的材料——聚氨酯。它既要有足夠的強度，又要有良好的彈性，才能勝任這些“重任”。 然而，長期以來，聚氨酯材料面臨一個兩難的困境：想要更堅固，彈性就會降低；想要更彈性，強度又會不足。這就像魚和熊掌，難以兼得！
問題出在哪里呢？科學家們發(fā)現(xiàn)，關鍵在于彈性恢復過程中的“熵罰”。簡單來說，就是材料在拉伸形變后，如果內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化太大，就很難完全恢復原狀，導致永久變形。傳統(tǒng)的增強方法雖然能提升強度，但也會限制分子運動，增加“熵罰”，降低彈性。蘭州化物所的研究人員是如何解決這個難題的呢？他們巧妙地借鑒了蜻蜓表皮中的節(jié)肢彈性蛋白結(jié)構(gòu)，利用一種叫做“低熵罰策略”的方法，在聚氨酯材料中構(gòu)建了一種特殊的微相分離結(jié)構(gòu)。簡單來說，就是在聚氨酯中，人為地創(chuàng)造了一些“硬”的部分和“軟”的部分，并且控制好這些“硬”的部分的大小、間距和均勻程度，就像給聚氨酯材料穿上了一件“軟硬甲”。 這些“硬”的部分，通過一種叫做氫鍵和配位鍵的“魔法”，聚集在一起，就像一個個小小的支柱，提高了材料的強度。這些“軟”的部分，則賦予材料優(yōu)異的彈性，讓它可以隨意拉伸和變形。
更神奇的是，當材料受到拉伸時，“硬甲”會逐漸解體，而“軟甲”則會發(fā)生結(jié)晶，就像一個此消彼長的平衡過程。當拉力消失后，結(jié)晶的“軟甲”又會釋放能量，幫助材料恢復原狀。這種“熵—焓補償機制”就像一個聰明的調(diào)控器，讓材料在保持強度的同時，最大程度地減少彈性損失。實驗結(jié)果表明，這種新型聚氨酯材料的強度超過了80MPa，比大多數(shù)人造彈性體都要強！同時，它的回彈效率也超過了90%，堪比天然的生物彈性蛋白。這意味著這種材料在受到外力后，幾乎可以完全恢復原狀，不易變形。
這項研究突破了傳統(tǒng)聚氨酯“強則脆，彈則弱”的難題，為高彈性聚氨酯材料的研發(fā)提供了新的方向,有望在高端工程領域，如輪胎、密封件、減震器等領域發(fā)揮重要作用。
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