“采用应变诱导超分子纳米结构的高能密度形状记忆聚合物”
ACS中心科学
当拉伸或变形时，形状记忆聚合物在加热或光照后会恢复其原始形状。这些材料在软机器人、智能生物医学设备和可展开空间结构方面显示出巨大的前景，但直到现在它们还不能储存足够的能量。现在，《美国化学学会中心科学》报道的研究人员已经开发出一种形状记忆聚合物，其储存的能量几乎是以前版本的六倍。
形状记忆聚合物在原始未变形状态和二次变形状态之间交替。变形状态是通过拉伸聚合物产生的，并通过分子变化保持在原位，如动态键合网络或应变诱导结晶，这些变化会随着热或光的变化而逆转。然后，聚合物通过释放储存的熵能返回其原始状态。但让这些聚合物执行能源密集型任务一直是科学家面临的挑战。鲍振安和同事们希望开发一种新型形状记忆聚合物，这种聚合物可以拉伸到稳定、高度拉长的状态，使其在恢复到原始状态时释放大量能量。
研究人员将4-，4'-亚甲基双苯基脲单元并入聚（丙二醇）聚合物主链中。在聚合物的原始状态下，聚合物链缠结无序。拉伸使链对齐，并在尿素基团之间形成氢键，形成超分子结构，从而稳定了高度拉长的状态。加热导致键断裂，聚合物收缩到初始无序状态。
在测试中，这种聚合物可以拉伸到原来长度的五倍，并存储高达17.9 J/g的能量——几乎是以前形状记忆聚合物的六倍。研究小组证明，拉伸材料在加热时可以利用这种能量将物体提升5000倍于自身重量。他们还通过将预拉伸的聚合物连接到木制人体模型的上臂和下臂来制作人造肌肉。加热时，材料收缩，导致人体模型在肘部弯曲手臂。研究人员说，这种形状记忆聚合物除了具有创纪录的高能量密度外，还价格低廉（原材料价格约为每磅11美元），易于制造。
作者承认来自美国国防部、国家科学基金会和美国能源部的资金。