科学家合成坚固水凝胶 模仿龙虾腹部的伸展性和强度

研究人员表示，龙虾肚皮是由自然界中已知的最坚韧的水凝胶制成的，它也恰好具有高度的灵活性。这种强度和弹性的结合有助于保护龙虾在海底的抓挠，同时也允许它来回弯曲游泳。

现在，麻省理工学院的一个团队已经制造了一种水凝胶材料，模仿龙虾腹部的结构。这是一类主要由水和交联聚合物组成类似明胶的材料。他们用水凝胶的超薄纤维制造了这种材料，当材料被反复拉伸时，这些纤维像许多股聚集的稻草一样排列。这种锻炼也恰好增加了水凝胶的抗疲劳性。

在他们的新研究中，研究人员结合一些技术来创造更强大的水凝胶纳米纤维。该过程从电纺开始，这是一种纤维生产技术，使用电荷从聚合物溶液中抽出超薄的线。该团队使用高压电荷从聚合物溶液中抽出纳米纤维，形成一层扁平的纳米纤维薄膜，每根纤维的尺寸约为800纳米，比人类头发还细。

他们将薄膜放在一个高湿度室中，将单个纤维焊接成一个坚固的、相互连接的网络，然后将薄膜放在一个孵化器中，使单个纳米纤维在高温下结晶，进一步加强材料。他们通过将薄膜放在一台机器中反复拉伸数万次来测试它的抗疲劳性。他们还在一些薄膜上做了缺口，并观察裂缝是如何随着薄膜的反复拉伸而扩展的。根据这些测试，他们计算出纳米纤维薄膜的抗疲劳性是传统纳米纤维水凝胶的50倍。

研究人员对这种材料进行了一系列拉伸和冲击测试，结果显示，与龙虾的腹部相似，这种合成材料具有明显的抗疲劳性，能够承受反复拉伸和拉扯而不会撕裂。如果该制造过程能够显著扩大规模，由纳米纤维水凝胶制成的材料可用于制造具有弹性和强度的替代组织，如人造肌腱和韧带。该团队的成果最近发表在《物质》杂志上。