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《Science》:東京大學(xué)研究人員發(fā)明能“破鏡重圓”的玻璃

來源:化學(xué)加      2017-12-19
導(dǎo)讀:俗話說“破鏡不能重圓”。但日本研究人員最新發(fā)明了一種可以自我愈合的玻璃材料,有望用于開發(fā)新型玻璃制品。

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普通玻璃大多是無機玻璃,主要成分以二氧化硅和硅酸鹽復(fù)鹽(Na2SiO3、CaSiO3)為主,是一種無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體。制作時以把石英砂、石灰石、長石、純堿等原材料高溫加熱熔融,在熔融時形成玻璃液,冷卻成形退火后轉(zhuǎn)變成具有固定形狀的固體制品。這種玻璃打破后會碎成不規(guī)則的片狀,不能再連接在一起,也就是平常人們雖說的“破鏡不能重圓”。

目前常用的玻璃一旦破裂就無法修復(fù),近日,日本東京大學(xué)教授相田卓三等人最新發(fā)明的可以“破鏡重圓”的玻璃是一種半透明高分子材料,屬于有機玻璃。這種新型有機玻璃材料能夠?qū)崿F(xiàn)自我修復(fù),今后有望用于開發(fā)新型玻璃制品。研究論文日前已發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上。(DOI:10.1126 / science.aam7588)

TUEG 3及其參考聚合物分子結(jié)構(gòu)和表征

通常,由于長聚合物鏈的纏結(jié),非結(jié)晶的聚合物形成堅固的高分子材料。然而,這種材料一旦斷裂,除非被加熱熔融,否則它們難以自我修復(fù),因為纏結(jié)的聚合物鏈在合理的時間尺度內(nèi)擴散太慢以致不能合并斷裂部分。低分子量聚合物當(dāng)它們通過氫鍵等非共價鍵交聯(lián)時,可以被制成機械穩(wěn)定但又可聚合的聚合物材料,因為它們的動態(tài)性能可以通過改變交聯(lián)密度來調(diào)節(jié)。到目前為止,橡膠狀軟材料和熱塑性彈性體與氫鍵已被設(shè)計為輕柔壓縮愈合。然而,大量的氫鍵的存在經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)晶或高分子材料的聚類,由此使它們具有脆性。換句話說,高強度堅固性和愈合能力往往是相互排斥的。

聚合物基質(zhì)中硫脲和脲部分的氫鍵相互作用

文章中研究人員稱他們發(fā)現(xiàn)聚醚硫脲,如TUEG2和TUEG3,盡管攜帶稠密的氫鍵硫脲單元,但卻異常地形成非晶態(tài)材料。更有趣的是,這些材料機械強度高,而且可以很容易地通過壓裂在斷裂表面進行修復(fù)。盡管攜帶大量H鍵硫脲單元,為什么它們是非晶態(tài)的?他們發(fā)現(xiàn)它們的H鍵硫脲陣列幾何是非線性的,所以它們不會誘導(dǎo)結(jié)晶。

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一塊長20毫米、寬10毫米、厚2毫米的聚醚硫脲半透明玻璃,一裂為二,分別用鑷子夾住兩部分,緊密貼合一會兒,兩部分玻璃就連在一起,隨后還能借助夾子勾起300克重的砝碼。

聚合硫脲衍生物在壓縮時的愈合行為

聚合物鏈在聚(醚 - 硫脲)和聚(亞烷基 - 硫脲)中通過交換氫鍵對的滑動運動

目前的工作提供了下面列出的基本結(jié)構(gòu)要素,用于設(shè)計機械堅固但可重疊的聚合物材料:(1)較短的聚合物鏈,允許更大的分段運動;(2)通過大量氫鍵的緊密交聯(lián)更好的機械性能;(3)不引起結(jié)晶的非線性(較少有序的)氫鍵陣列,以及(4)實現(xiàn)促進H鍵合對交換的機制。連接TUEG 3的硫脲單元的三甘醇間隔物最優(yōu)地調(diào)節(jié)用于交換H-鍵鍵合硫脲對的活化能; 因此,聚合物材料盡管非共價鍵地高度交聯(lián),但是可以僅通過壓縮而無需加熱就可以愈合。

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