新型智能材料可定時(shí)變形

浙江大學(xué)教授謝濤與趙騫團(tuán)隊(duì)利用熱致相分離水凝膠構(gòu)建了可按需自發(fā)變形的形狀記憶高分子，闡明了該類(lèi)變形行為的機(jī)理及調(diào)控方法，并結(jié)合4D打印技術(shù)初步展現(xiàn)了該類(lèi)材料用做醫(yī)療手術(shù)器件的獨(dú)特潛力。

2020年，日本北海道大學(xué)教授龔劍萍開(kāi)發(fā)出的一類(lèi)新型水凝膠進(jìn)入浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的視野。他們發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)材料具有復(fù)雜的變形行為——不僅具有形狀記憶，而且“知道”什么時(shí)候要恢復(fù)記憶；回彈不僅延遲，而且是定時(shí)發(fā)生的。

經(jīng)過(guò)研究，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這類(lèi)材料背后有一套獨(dú)特的變形機(jī)制：材料從熱變冷時(shí)，內(nèi)部有兩股力量在“競(jìng)爭(zhēng)”：一方是保持臨時(shí)形狀的力，一方是恢復(fù)原始形狀的力。開(kāi)始時(shí)，保持臨時(shí)形狀的力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，雙方的力量差會(huì)達(dá)到1000倍以上。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，材料會(huì)停留在臨時(shí)形狀，紋絲不動(dòng)；而隨著時(shí)間推移，保持臨時(shí)形狀的力持續(xù)不斷下滑，材料就會(huì)出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的變形。研究顯示，在力量差為20倍時(shí)，材料會(huì)出現(xiàn)5%的變形。

研究人員通過(guò)磁共振成像對(duì)這種按需自發(fā)變形行為的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了深入探究，證明該現(xiàn)象受控于材料內(nèi)部的水分子擴(kuò)散過(guò)程。基于機(jī)理的把握，研究人員得以利用“延時(shí)”來(lái)創(chuàng)造“定時(shí)”：操作方法非常簡(jiǎn)單，只需調(diào)控一個(gè)參數(shù)——熱編程時(shí)間。目前能實(shí)現(xiàn)的最長(zhǎng)“休眠期”為46分鐘。

有了這樣的調(diào)控手段，研究人員就能根據(jù)“休眠期”的長(zhǎng)短，事先對(duì)材料的不同位置設(shè)置不同的熱編程時(shí)間，使得形變按時(shí)按需依次展開(kāi)。

他們概念性地展示了4D打印制備的延時(shí)變形血管支架。該支架從進(jìn)入體內(nèi)到輸送到目標(biāo)部位需要一定時(shí)間，如果依賴(lài)人體溫度的觸發(fā)，普通的形狀記憶支架材料在到達(dá)目的地之前就會(huì)發(fā)生形變；而應(yīng)用“休眠期”的定時(shí)變形器件，該支架能夠在到達(dá)目標(biāo)位置后啟動(dòng)形變。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，具有定時(shí)變形效應(yīng)的器件有望在生物醫(yī)學(xué)工程、深空深海探測(cè)等方面發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》）