材料變形如何定時(shí)可控

材料的變形在生活中隨處可見，有的“一觸即發(fā)”，有的“循序漸進(jìn)”。來自浙江大學(xué)的科研人員創(chuàng)造了一種新的變形方式：在觸發(fā)條件下，材料先要“休眠”一段時(shí)間再啟動(dòng)變形，“休眠期”的長短由人為調(diào)控，就像安裝了定時(shí)器。

材料的變形如何做到定時(shí)響應(yīng)？浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院教授謝濤和趙騫團(tuán)隊(duì)對變形機(jī)理進(jìn)行了深入闡述。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于《自然》。

2020年，國外科研人員開發(fā)出一類新型水凝膠，受熱會(huì)變得堅(jiān)硬。謝濤判斷，這可能是一種潛在的形狀記憶材料。團(tuán)隊(duì)成員通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這類水凝膠是一類具有延時(shí)變形特質(zhì)的水凝膠——變形的確會(huì)發(fā)生，只不過必須度過一段“休眠期”。

為什么新材料對于變形的“反射弧”特別長？研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其背后有一套獨(dú)特的變形機(jī)制。

材料在從熱變冷時(shí)，內(nèi)部有兩股力量在“競爭”：一方是保持臨時(shí)形狀的力，一方是恢復(fù)原始形狀的力。開始時(shí)，保持臨時(shí)形狀的力占絕對優(yōu)勢，雙方的力量差會(huì)達(dá)到1000倍以上。

“就像小兔子拔蘿卜，開始時(shí)蘿卜埋得很深，土又很硬，拔不動(dòng)?！壁w騫說，在很長一段時(shí)間內(nèi)，材料會(huì)停留在臨時(shí)形狀，紋絲不動(dòng)；而隨著時(shí)間的推移，“泥土”發(fā)生松動(dòng)，也就是保持臨時(shí)形狀的力持續(xù)不斷下滑，當(dāng)雙方力量的差異不再顯著時(shí)，材料就會(huì)出現(xiàn)肉眼可見的變形。研究顯示，在力量差縮小到20倍時(shí)，材料會(huì)出現(xiàn)5%的變形。

隨后，研究人員通過磁共振成像對內(nèi)在機(jī)理又進(jìn)行了深入探究，證明該現(xiàn)象受控于新型水凝膠材料內(nèi)部的水分子擴(kuò)散過程。

基于機(jī)理的把握，科學(xué)家得以利用“延時(shí)”來創(chuàng)造“定時(shí)”。操作方法非常簡潔，只需調(diào)控一個(gè)參數(shù)——熱編程時(shí)間。目前能實(shí)現(xiàn)的最長“休眠期”為46分鐘。有了這樣的調(diào)控手段，科學(xué)家只要事先對材料的不同位置設(shè)置不同的熱編程時(shí)間，它們的“休眠期”就各有長短，可按次序發(fā)生形變。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這類定時(shí)變形效應(yīng)有望在深空深海、生物工程等領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特作用，因?yàn)樵谠S多場合中，“定時(shí)響應(yīng)”是比“即時(shí)響應(yīng)”更優(yōu)的解決方案。在論文中，他們概念性地展示了4D打印制備的延時(shí)變形血管支架：支架從進(jìn)入體內(nèi)到輸送至目標(biāo)部位需要一定時(shí)間，如果被人體溫度觸發(fā)，普通的形狀記憶支架材料在到達(dá)目的地之前就會(huì)發(fā)生形變；而定時(shí)變形器件得益于它的“休眠期”，能夠在到達(dá)目標(biāo)位置后再啟動(dòng)形變。

受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)科研人員還在醫(yī)學(xué)專家的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了用于緩解干眼癥的智能全淚道栓塞器。

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