兩片塑料“彈簧”正在接受拉力測試。一片伸展到原來的1.5倍長時，崩斷了；另一片則穩穩伸到了兩倍長。它們用的是同一種材料，唯一不同的是，第二片塑料被光“點”過 “穴”。
浙江大學化學工程與生物工程學院教授謝濤團隊最新設計出一種新型高分子材料（TIN,Topology Isomerizable Network），受光的調控，其網絡拓撲結構可以變化出多種形式，對應呈現出迥然相異的宏觀性能。這意味著，人們可以對同一材料的不同區域進行“編程”，一次製造集多種材料於一體的複雜產品。
改變“葡萄園”
謝濤教授及其合作團隊研究的是一類網絡型高分子，這在我們的生活中很常見，比如，橡膠輪胎和波音787的機身的材料都屬於網絡型聚合物，它們的堅固特性來源於它們的網絡交聯結構——分子結構有點兒像枝蔓交錯的葡萄園，長長的分子鏈主鏈通過共價鍵交聯，交織成網狀結構，主鏈上有時還連有長長的支鏈，就像掛著一串串分子“葡萄”。
現在，科學家走進了這片聚合物的“葡萄園”裡，用一束光讓“葡萄串”的數量變多了，而每串葡萄變短了。對材料的核磁共振圖像顯示：主鏈上的側鏈明顯增多，側鏈變得更短，而主鏈網絡保持不變。謝濤教授認為這是一種拓撲異構。“就像用一堆同樣的樂高積木搭出不同的結構。”
高分子材料的拓撲結構，也就是其分子的鏈接方式決定著材料宏觀性能。側鏈較長的材料的分子更容易緊密排列，具有更高的結晶度和硬度（比如，花生油比橄欖油更容易結晶沉澱，是因為花生油的分子鏈比橄欖油長）。當側鏈變短變多，材料硬度會下降，宏觀上表現得更為柔軟。
當大分子能夠像變形金剛一樣去改變自身拓撲結構時，其性能也會隨之發生大幅度變化。在塑料“彈簧”的拉力試驗開始前，光線定向對彈簧的幾個“關節”進行了拓撲結構的“編程”，被“編程”過的地方變軟了，“彈簧”因此展現出更好的伸展性。
給材料N種“生命”
這種可編程的高分子材料被稱為拓撲異構網絡高分子，對應的英文為Topology IsomerizableNetwork（簡寫為TIN）。不同的光照條件會觸發它成為不同的材料。“它像一種‘待定’的材料，你可以根據需要把它變成你想要的。”研究團隊成員之一，趙騫副教授介紹，材料中含有一種光敏感的催化劑，在光的觸發以及熱的作用下，聚合物的拓撲結構會發生變化。
在此之前，絕大部分網絡型高分子的“定性”發生在聚合階段，此後便不可更改。當網絡交聯結構形成後，材料的性質就此確定。這就像我們依照烘焙食譜製作甜點，什麼配方決定了出爐的是麵包還是蛋糕。而TIN則包含了多種可能性，在放入烤箱之後，你還有一次選擇的機會：是麵包，還是蛋糕？
謝濤教授研究團隊長期從事網絡型高分子研究，通過設計不同的高分子共價網絡來探索不同特性的材料。2016年，研究團隊提出了一種“熱適性形狀記憶高分子”[1]，其網絡共價鍵能在特定溫度下發生更“換手”重組，從而讓材料具有形狀記憶功能。“通過這種‘換手’可以重塑材料的形狀，但是這個過程並沒有讓網絡拓撲結構發生實質性改變，‘換手’前後網絡拓撲結構沒有發生變化，仍然是同一個材料。”趙騫說。
謝濤教授認為，TIN代表了一種新的高分子設計思路，它讓網絡拓撲結構從不變變成可變，賦予材料不同生命的可能性。目前，它既可以變成塑料，也可以變成橡膠。
其他辦法？
世界上也有其他科學家關注到了高分子網絡的拓撲結構，有兩項主要的工作發表於2018年左右。
美國佛羅里達大學的Brent Sumerlin教授提出將一種可逆共價鍵鑲嵌在超支化聚合物的支化點或者線性嵌段共聚物的連接點上，在特定溫度及外加分子的參與下，高分子的拓撲構型可以從星型重組為梳型[2]；美國麻省理工學院Jeremiah Johnson課題組通過引入一種光響應的金屬有機分子籠作為超分子網絡的交聯點，實現了能在兩個拓撲狀態之間切換的超分子材料[3]。這一方法依賴於光的持續“助力”才能保持穩定的結構。
“TIN不需要加入額外的物質，而且經過光照調控拓撲結構後，其結構不再依賴於光的存在就可以保持穩定，這種共價網絡的異構化機理和前有的拓撲重組體系有很大區別。無需外加分子的參與對材料的編程控制及未來的潛在應用有非常重要的意義。”謝濤教授說。
當材料可以編程
假如物質可以編程，我們只需要準備好 “源”材料，心裡想要什麼就能讓它成為什麼。這樣的“天方夜譚”在電影《變形金剛4》中出現過：史坦利·圖齊把手中一堆懸浮在空中的小方塊稱為“可編程物質”，它們一會兒成為了一個音響，一會兒又變成了一把手槍……
圖為《變形金剛4》劇照
儘管夢想還遙遠，但TIN已顯示出作為可編程物質的潛力。在TIN的體系裡，編程的語言是“光”，光操控高分子網絡內部的拓撲構型。這樣，一種材料就具有了變成N種材料的可能性，或者，可以做出集多種材料於一身的混合體，從而實現各種新穎的結構與功能。
研究團隊對此做了初步嘗試，他們做了一根、塑料+橡膠的複合“繩”。在不同的溫度下，具有形狀記憶功能的塑料與形狀基本固定的橡膠，“扭”出了豐富多變的造型。這一嘗試提示人們，當我們可以對材料的不同空間區域進行“編程”時，我們就能設計出各種各樣前所未有的功能材料。這將大大豐富設計師們的材料庫，在很多新興領域如柔性電子、人工肌肉、智能穿戴等方面展現廣闊的應用前景。
相關研究論文於3月28日發表於Science Advances上。
參考文獻
[1] Q. Zhao, W. K. Zou, Y. W. Luo, T. Xie, Shape memory polymer network with thermally distinct elasticity and plasticity. Sci. Adv. 2, e1501297 (2016).
[2] H. Sun, C. P. Kabb, Y. Dai, M. R. Hill, I. Ghiviriga, A. P. Bapat, B. S. Sumerlin, Macromolecular metamorphosis via stimulus-induced transformations of polymer architectures. Nat. Chem. 9, 817–823 (2017).
[3] Y. Gu, E. A. Alt, H. Wang, X. Li, A. P. Willard, J. A. Johnson, Photoswitching topology in polymer networks with metal-organic cages as crosslinks. Nature 560, 65–69 (2018).
編輯 | 周煒 來源 | 浙江大學學術委員會
聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
---納米纖維素找北方世紀---
---粘度計/流變儀找中昊清遠---
“高分子科學前沿”彙集了20萬高分子領域的專家學者、研究/研發人員。我們組建了80餘個綜合交流群（包括：教師群、企業高管群、碩士博士群、北美、歐洲等），專業交流群（塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚酰亞胺、抗菌、仿生、腫瘤治療）。
我們的微博：高分子科學前沿，歡迎和我們互動。
我們的QQ交流群：451749996（務必備註：名字-單位-研究方向）
投稿 薦稿 合作：[email protected]
閱讀更多 高分子科學前沿 的文章
