分子“生物钟”让假花绽放

2019-08-30 作者:科学技术   |   浏览(100)

变形材料很有趣,因为它们使物体得以改变形状,并因此改变功能。不过,此类材料通常需要一个触发点才开始变形,比如光照水平、温度或者pH值的改变。如今,来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校的Sergei Sheiko和同事创造了一种带有生物钟的油灰,从而使其随着时间的推移发生变形。“在特定情形下,就像在人体或太空中一样,外部触发器是不允许的或者无效的。”Sheiko介绍说,“而你只是想让一个物体在既定时间改变形状。”

“它在一系列应用中都拥有很大的潜力,尤其是在生物医学工程领域。”同样研发出可变形材料的华盛顿州立大学研究人员Michael Kessler表示。

一只折叠好的“纸船”放到热水里,短短几秒钟,它重新舒展又收缩,变形成了一只“鸟”。科学家说,他们曾在纸船中植入过“鸟”的形状记忆,温度让它恢复了记忆。这张“纸”,是浙江大学化学工程与生物工程学院教授、国家“千人计划”学者谢涛课题组最新研发的一种新型的形状记忆塑料,它在国际上首次实现了复杂可变形“折纸”,能被多次“植入”复杂形状记忆,实现多样的形变。相关论文于1月8日发表在美国的《科学进展》上。引入可交换化学键,当处于较高温度时分子就会重新排队,改变形状形状记忆塑料,学术上称为形状记忆聚合物(shape memory polymer, SMP),是一类能够固定临时形状并且在外界刺激下回复到初始形状的智能材料,在柔性电子、生物医学和航空航天等领域应用前景广阔。为什么这种塑料能被植入复杂“形状记忆”呢?谢涛介绍,传统的形状记忆塑料,从永久形状变成临时形状发生的是弹性形变,从微观看,分子之间的连接关系并未断裂。“而我们在设计形状记忆材料的过程中,加入了一种可交换共价键,重组分子间的连接关系。我们进一步阐明了这类新材料相比传统形状记忆无可比拟的新性能,这是我们学术上最大的创新。”谢涛解释,引入可交换化学键,意味着整个分子网络可以被重新组合,这相当于很多分子手拉手跳一支“集体舞”,当处于较高的温度时,分子之间相互“换手”,找到了新的伙伴,产生了新的“队形”,也就是塑性形变产生永久记忆。当处于较低温度时,分子之间不会“放手”,无论怎么折叠,都是弹性形变产生的临时形状。论文第一作者赵骞副教授说,正是这种“换手”,让新型的形状记忆塑料有不断被植入复杂形状记忆的性能。更重要的是,植入新形状的过程不是“擦除”之前的永久形状,而是将新形状叠加到其中,称之为形状累积效应。利用这种效应,可以制备目前加工方法无法实现的复杂形状。杂志评审专家认为:“这项研究是形状记忆聚合物领域的重要突破,从本质上加深了人们对其的认识,为这种材料的设计与加工提供了全新的指导。”技术已较为成熟,科学家期待在先进制造领域实现革命性突破在此之前,记忆塑料已经被广泛应用于饮料瓶包装、电线制作等。“受制于模具制造的限制,之前的技术只能实现从复杂的临时形状变回简单永久形状。但不能从简单的临时形状变成复杂的永久形状。”“简单变复杂”或者“复杂变复杂”同样具有很高的实用价值,科学家期待这一材料能早日用于生物医疗或柔性电子领域。“比如心脏支架,我们希望它在到达植入‘目的地’以后,可以舒展成为一个复杂三维形状。”谢涛说。“从材料本身而言,这项技术已经较为成熟。理论上已可以做出诸如玩具等商品。但作为科学家,我们更关心的是能否实现高附加值应用的革命性突破,这涉及的就不仅仅是材料。目前,限于人力、物力以及想象力,团队目前的应用尝试主要集中在先进制造上,比如与清华大学合作的复杂柔性电子制造等。所以,虽然这类材料的应用领域很广,但目前还仅限于想象。”谢涛说。变形在自然界很普遍,也很多样,捕蝇草的捕蝇,向日葵的转向等都是经典的例子。自然界的这些变形现象给谢涛团队的研究带来很多启示。“我们的研究方向基本集中在多功能智能高分子材料,尤其偏重在外界刺激下能变形的材料。这一点在自然界很常见,因此我们又称它们为智能材料。”谢涛介绍。在智能高分子的合成过程中,谢涛团队还希望引入数字化概念,即通过电脑控制实现高分子合成中的功能控制。谢涛认为,对于智能材料的研究,我国这些年进步很大。不少研究已经达到国际水平,个别方向甚至处于领先地位。但总体而言,我们的很多研究还是禁锢于传统思维,颠覆性的概念太少,这一点随着观念的改变正逐渐改善。(记者 余建斌)

每个花瓣可在不同时间绽放的假花

设计复杂形状被证实很困难。不过,Sheiko团队发明了一种变通方案。他们发现,复杂的设计可由构建模块组装而成,其中每个模块都能被设定在不同的时间改变形状。

分子“生物钟”让假花绽放

为演示这一概念,Sheiko团队利用该材料创建了一个投递箱。当箱子到达目的地时,其中一边会自动打开。不过,这种可变形聚合物可能对设计先是折叠起来以方便插入然后在体内改变形状的医用植入物更加有用。

“它在一系列应用中都拥有很大的潜力,尤其是在生物医学工程领域。”同样研发出可变形材料的华盛顿州立大学研究人员Michael Kessler表示。

“此前没有人曾做过这方面工作。”Sheiko介绍说,他们最复杂的设计是一朵假花,其中每个花瓣都被单独设定为自动开花

为演示这一概念,Sheiko团队利用该材料创建了一个投递箱。当箱子到达目的地时,其中一边会自动打开。不过,这种可变形聚合物可能对设计先是折叠起来以方便插入然后在体内改变形状的医用植入物更加有用。

滴答滴答。多亏了一种可在特定时间变形的新材料,可变形物体如今有了自己版本的生物钟。

设计复杂形状被证实很困难。不过,Sheiko团队发明了一种变通方案。他们发现,复杂的设计可由构建模块组装而成,其中每个模块都能被设定在不同的时间改变形状。

Sheiko团队从一种传统的柔性聚合物着手,然后调整了其分子结构。聚合物中分子之间的一小部分连接是永久性的,从而使这种材料表现得像弹簧一样。当被拉伸和释放时,其能像橡胶一样回到最初的形状。不过,大部分连接是可以变形的,会随着时间的推移自己断开并重新排列。变形的速度可被调整,从而使研究人员得以控制这种材料在几个小时内如何改变形状。

图片来源:Sheiko et al. Nature Communications

图片 1

滴答滴答。多亏了一种可在特定时间变形的新材料,可变形物体如今有了自己版本的生物钟。

变形材料很有趣,因为它们使物体得以改变形状,并因此改变功能。不过,此类材料通常需要一个触发点才开始变形,比如光照水平、温度或者pH值的改变。如今,来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校的Sergei Sheiko和同事创造了一种带有生物钟的油灰,从而使其随着时间的推移发生变形。“在特定情形下,就像在人体或太空中一样,外部触发器是不允许的或者无效的。”Sheiko介绍说,“而你只是想让一个物体在既定时间改变形状。”

分子“生物钟”让假花绽放。Sheiko团队从一种传统的柔性聚合物着手,然后调整了其分子结构。聚合物中分子之间的一小部分连接是永久性的,从而使这种材料表现得像弹簧一样。当被拉伸和释放时,其能像橡胶一样回到最初的形状。不过,大部分连接是可以变形的,会随着时间的推移自己断开并重新排列。变形的速度可被调整,从而使研究人员得以控制这种材料在几个小时内如何改变形状。

每个花瓣可在不同时间绽放的假花 分子“生物钟”让假花绽放。图片来源:Sheiko et al. Nature Communications

图片 2

“此前没有人曾做过这方面工作。”Sheiko介绍说,他们最复杂的设计是一朵假花,其中每个花瓣都被单独设定为自动开花。

本文由凤凰彩票登陆发布于科学技术,转载请注明出处:分子“生物钟”让假花绽放

关键词: 凤凰彩票登陆