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研究开发出新型超强自愈高聚材料 可回收利用

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核心提示:最近,美国IBM研究所与加州大学伯克利分校、荷兰埃因霍芬理工大学等单位科学家合作,通过“计算化学”将实验室实验与高精计算相结合,模拟新材料的形成反应,开发出两种能循环利用的新型高聚材料,有望给运输、航空、微电子等行业的加工制造带来变革。

最近,美国IBM研究所与加州大学伯克利分校、荷兰埃因霍芬理工大学等单位科学家合作,通过“计算化学”将实验室实验与高精计算相结合,模拟新材料的形成反应,开发出两种能循环利用的新型高聚材料,有望给运输、航空、微电子等行业的加工制造带来变革。

据物理学家组织网近日报道,这些新材料首先具有抗开裂性质,强度高于骨骼,还能变形自愈,所有材料能完全恢复成最初原料的样子。而且,它还能“变身”成新的聚合结构,强度再增加50%,成为另一种超强轻质材料。相关论文发表在当天的《科学》杂志上。

航空材料需要有良好的抗开裂性,但目前的聚合材料抗开裂能力有限,而且很难循环利用,不能重铸、自愈或热分解,废弃材料只能用废渣填埋法处理。研究小组发现的是一个新材料“家族”,其属性可按照需要广泛调节,也为探索研究和应用开发带来更多机会。他们开发出的两种新型材料各具特色,包括高硬度、耐溶解、开裂自愈强化等。

这些新型聚合材料原料廉价,通过冷凝反应大分子连在一起,小分子形成水或乙醇。反应简单而容易调节。在250℃时,聚合物通过共价键重组,除去溶剂变得比骨骼还强,但缺点是脆而易碎。它在高pH值水中分毫无损,但在低pH值水中会选择性分解,因此适当条件下,能可逆地变成最初材料形式,重新形成新的聚合结构。而且,把聚合物与碳纳米管或其他强化填充剂混合,高温加热后能变得更强,拥有类似于金属的性质,用在飞机、汽车上。

在室温环境下,能形成另一种像弹力胶似的聚合材料,溶剂嵌在聚合网络中,不仅强度比大部分聚合材料更高,而且仍保持柔韧性,就像橡胶带。如果开裂,把碎片拼在一起,能在几秒钟内重新形成化学键而连成一个整体。这种性质让它能在中性环境实现循环利用,在需要可逆重组的应用领域大显身手。

研究人员指出,这种非传统的方法将带来许多前所未有的新材料,加速新材料的开发过程。 “虽然高性能材料研究已取得巨大进步,但目前设计的聚合材料还缺乏许多基本性质。新材料创新在应对全球挑战、开发新产品等方面非常关键。”IBM研究所先进有机材料科学家詹姆斯·海德里克说,“现在,我们能通过计算来预测分子在化学反应中会怎样,制造出新的聚合结构,帮助推动新材料的开发,满足交通运输、微电子或先进制造行业中对复杂先进材料的需求。”(来源:科技日报 记者 常丽君)

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