走进科学
新的“玻璃状凝胶”材料具有奇怪的强度、弹性和粘性
北卡罗来纳州立大学(NCSU)的工程师们开发了一种兼具玻璃和凝胶优点的新型材料，被称为“玻璃凝胶”。
玻璃状凝胶非常有弹性，但仍与更坚硬的玻璃状聚合物一样坚固
玻璃和凝胶在材料领域中通常处于对立的两端，但北卡罗来纳州立大学(NCSU)的工程师们开发出一种新型“玻璃凝胶”材料，既强韧又柔韧，同时还具有粘性和自愈能力。
玻璃态聚合物是一种具有玻璃特性的塑料——它们坚硬、硬度高，但通常也很脆，弯曲或拉伸时容易断裂。相比之下，凝胶柔软且灵活，但也较脆弱。NCSU团队现在开发出一种结合两者优点的新材料。
“我们创造了一类我们称之为玻璃凝胶的材料，它们和玻璃态聚合物一样硬，但如果施加足够的力，可以拉伸到原长的五倍，而不是断裂。”该研究的通讯作者Michael Dickey说，“更重要的是，这种材料在拉伸后，通过加热可以恢复到原来的形状。此外，玻璃凝胶的表面具有高度的粘附性，这对于硬质材料来说是不寻常的。”
为了制造玻璃凝胶，团队将玻璃态聚合物的液体前体分子与离子液体结合。混合物被倒入模具中，并暴露在紫外线下进行固化，然后从模具中取出。离子液体作为溶剂，赋予材料玻璃和凝胶的特性。
“通常，当你向聚合物中加入溶剂时，溶剂会将聚合物链推开，使其变得柔软和可拉伸。”Dickey说，“在玻璃凝胶中，溶剂将聚合物中的分子链推开，使其像凝胶一样可拉伸。然而，溶剂中的离子对聚合物具有强烈的吸引力，阻止聚合物链的移动。这种链条无法移动的特性使其具有玻璃的性质。最终结果是由于吸引力使材料变硬，但由于额外的间距仍然可以拉伸。”
尽管这些玻璃凝胶的重量中超过54%是液体，但它们的断裂强度达42 MPa，韧性为110 MJ m-3，屈服强度为73 MPa，杨氏模量为1 GPa。团队指出，这些性能与聚乙烯等热塑性塑料相似，但与这些材料不同的是，玻璃凝胶可以拉伸到原长的五倍。
玻璃凝胶的其他优点包括其自愈能力，通过加热可以恢复到原来的形状。高液体含量也使其成为更高效的电导体，表面具有粘附性，尽管团队尚不完全清楚原因。最有用的是，这些玻璃凝胶的制造过程相对简单。
“制造玻璃凝胶是一种简单的过程，可以通过在任何类型的模具中固化或通过3D打印来完成。”Dickey说，“大多数具有类似机械性能的塑料要求制造商先生产聚合物作为原料，然后将其运送到另一个设施，在那里聚合物被融化并制成最终产品。”
到目前为止，研究人员还不确定这些玻璃凝胶可能有哪些应用，但由于其具有如此多的引人注目的特性，他们相信这种新材料最终可能会非常实用。
这项研究发表在《自然》杂志上。团队在下面的视频中展示了玻璃凝胶。