美荷科學家通過「計算化學」開發出新型高聚材料

來源：中國科技網-科技日報2014年05月20日01:08

[導讀] 科技日報訊最近，美國IBM研究所與加州大學伯克利分校、荷蘭埃因霍芬理工大學等單位科學家合作，通過「計算化學」將實驗室實驗與高精計算相結合，模擬新材料的形成反應，開發出兩種能循環利用的新型高聚材料，有望給運輸、航空、微電子等行業的加工製造帶來變革。

計算化學帶來新型超強自愈高聚材料

有望給運輸、航空、微電子等行業帶來變革

科技日報訊 最近，美國IBM研究所與加州大學伯克利分校、荷蘭埃因霍芬理工大學等單位科學家合作，通過「計算化學」將實驗室實驗與高精計算相結合，模擬新材料的形成反應，開發出兩種能循環利用的新型高聚材料，有望給運輸、航空、微電子等行業的加工製造帶來變革。

據物理學家組織網近日報道，這些新材料首先具有抗開裂性質，強度高於骨骼，還能變形自愈，所有材料能完全恢復成最初原料的樣子。而且，它還能「變身」成新的聚合結構，強度再增加50%，成為另一種超強輕質材料。相關論文發表在當天的《科學》雜誌上。

航空材料需要有良好的抗開裂性，但目前的聚合材料抗開裂能力有限，而且很難循環利用，不能重鑄、自愈或熱分解，廢棄材料只能用廢渣填埋法處理。研究小組發現的是一個新材料「家族」，其屬性可按照需要廣泛調節，也為探索研究和應用開發帶來更多機會。他們開發出的兩種新型材料各具特色，包括高硬度、耐溶解、開裂自愈強化等。

這些新型聚合材料原料廉價，通過冷凝反應大分子連在一起，小分子形成水或乙醇。反應簡單而容易調節。在250℃時，聚合物通過共價鍵重組，除去溶劑變得比骨骼還強，但缺點是脆而易碎。它在高pH值水中分毫無損，但在低pH值水中會選擇性分解，因此適當條件下，能可逆地變成最初材料形式，重新形成新的聚合結構。而且，把聚合物與碳納米管或其他強化填充劑混合，高溫加熱后能變得更強，擁有類似於金屬的性質，用在飛機、汽車上。

在室溫環境下，能形成另一種像彈力膠似的聚合材料，溶劑嵌在聚合網路中，不僅強度比大部分聚合材料更高，而且仍保持柔韌性，就像橡膠帶。如果開裂，把碎片拼在一起，能在幾秒鐘內重新形成化學鍵而連成一個整體。這種性質讓它能在中性環境實現循環利用，在需要可逆重組的應用領域大顯身手。

研究人員指出，這種非傳統的方法將帶來許多前所未有的新材料，加速新材料的開發過程。 「雖然高性能材料研究已取得巨大進步，但目前設計的聚合材料還缺乏許多基本性質。新材料創新在應對全球挑戰、開發新產品等方面非常關鍵。」IBM研究所先進有機材料科學家詹姆斯·海德里克說，「現在，我們能通過計算來預測分子在化學反應中會怎樣，製造出新的聚合結構，幫助推動新材料的開發，滿足交通運輸、微電子或先進位造行業中對複雜先進材料的需求。」（常麗君）