鋼鐵俠的戰(zhàn)甲可以任意變換形態(tài)，綠巨人浩克的皮膚被破壞摧毀后會自愈再生，蜘蛛俠的身體能夠承受數(shù)十噸重物······2月25日，中國化工報記者從天津大學了解到，該校封偉教授團隊成功研發(fā)出一種新型智能材料——智能變色液晶高分子薄膜，有望將這些出現(xiàn)在科幻電影里的魔幻場景變?yōu)楝F(xiàn)實。這種新材料很“聰明”，不僅能力致變色，還有形狀可編程和室溫自修復功能。
“聰明”的變色材料
自然界有很多生物具有“自適應變色偽裝能力”，最著名的當屬變色龍。它可以根據(jù)環(huán)境的不同而改變身體的顏色。這也一直是很多科學家想要獲得突破的研究方向，模仿自然界生物體的智能變色隱身機制，從而開發(fā)新型仿生智能變色材料與技術。
仿生智能變色技術在工業(yè)、生產(chǎn)生活等領域都具有重大意義。封偉團隊就是受到變色龍智能變色機制的啟發(fā)。他們在進行過近百次測試后，篩選出動態(tài)共價硼酸酯鍵，并將其引入主鏈型膽甾相液晶彈性體中，再利用熱激發(fā)動態(tài)硼—氧鍵的交換特性，制備出智能變色液晶高分子薄膜這種新型材料。
這種新材料的厚度只有200微米，兼具力致變色、形狀可編程和優(yōu)異的室溫自修復能力：在被拉伸時可以發(fā)生顏色變化;被切斷后在斷口處加幾滴水，一段時間后就能重新愈合;可以被拉伸成任意二維或三維形狀并保持不變，當加熱到相變溫度以上后，又能恢復到最初的形狀。
神奇的動態(tài)共價鍵
智能變色液晶高分子薄膜所具有的可編程性能和自修復能力，都是緣于在液晶高分子網(wǎng)絡中所引入的動態(tài)共價硼酸酯鍵。
這個動態(tài)共價鍵有多神奇呢?據(jù)研究團隊成員楊言昭博士介紹，這種動態(tài)共價鍵遇到水分子后會發(fā)生斷裂，再水揮發(fā)干后又會重組。他們在實驗室里將制備的液晶高分子薄膜切成兩半，在斷口處滴幾滴水，室溫下放置24小時后，神奇的事情發(fā)生了，薄膜自己愈合了。研究人員還對愈合后的材料進行了拉伸測試和承重測試，“破鏡重圓”后的薄膜再拉伸到原始長度近2倍時也沒有再斷開，還能承受自身1000倍的重量。
這一自愈合特性如果能加以應用，將會產(chǎn)生不凡的效果。記者設想了一下，如果橡膠、塑料、纖維等大宗高分子材料都具有類似的自愈合功能，在長時間使用后還會保持如新，即使破損也能夠方便快捷地恢復如新，相當于延長了這些重要工業(yè)材料的使用壽命，極大程度上減少環(huán)境污染和資源浪費，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。
動態(tài)共價硼酸酯鍵還賦予了該材料“記憶編程”特性。室溫下該材料是彈性的，可以被拉伸成任意形狀，如螺旋形、波形、圓柱形等。加熱到動態(tài)共價鍵激活溫度時，材料從彈性變化到塑性，并能夠保持形狀不變。再繼續(xù)加熱到相變溫度以上后，該材料又恢復到最初的形狀和顏色。
多變的應用場景
智能變色材料在生活中已有應用。比如在輪胎邊緣加入變色高分子材料制成智能輪胎，當溫度超過正常使用溫度時，輪胎會變色預警;將智能變色涂料鍍膜在木材、金屬、陶瓷等基材上，做成指示冷熱用的變色茶杯、嬰兒用的湯勺、奶瓶;將智能變色材料涂布在織物上做成變色服裝，隨著季節(jié)、時間、地區(qū)不同而呈現(xiàn)多變的色彩等。
智能變色高分子材料是個機遇與挑戰(zhàn)并存的研究課題。封偉教授表示，他們的這項研究提供了一種簡單通用的方法，為智能仿生變色偽裝材料、自適應光學系統(tǒng)和軟體機器人等技術的發(fā)展開辟了新道路，在服裝、包裝材料等方面也有巨大應用潛力。
不過目前這種智能變色液晶高分子材料還處于實驗室研究階段，在制備方法上還存在很多難點，包括更加精確控制液晶單體分子自組裝，實現(xiàn)大面積均勻明亮的結構色。未來，研究團隊將繼續(xù)在仿生變色偽裝材料應用方面進行深入研究，比如將智能變色液晶高分子薄膜與顏色識別系統(tǒng)相結合，顏色識別系統(tǒng)將背景的顏色信息轉變?yōu)榱W信號，利用薄膜的力致變色特性，使材料的顏色能夠與背景環(huán)境的顏色相匹配，實現(xiàn)智能變色偽裝的目的。