来自麻省理工学院和杜克大学的化学家团队发现了一种违反直觉的方法来增强聚合物的强度：在材料中引入一些较弱的键。研究人员使用一种称为聚丙烯酸酯弹性体的聚合物，发现只需使用较弱类型的交联剂加入一些聚合物构件，即可将材料的抗撕裂性提高十倍。

这些类橡胶聚合物通常用于汽车零部件，也经常用作 3D 打印物体的“墨水”。 研究人员目前正在探索将这种方法扩展到其他类型材料的可能性，例如橡胶轮胎。

麻省理工学院化学教授耶利米·约翰逊 (Jeremiah Johnson) 表示：“如果你能让橡胶轮胎的抗撕裂能力提高 10 倍，这可能会对轮胎的使用寿命和脱落的微塑料废物量产生巨大影响。” 该研究的资深作者之一，该研究于 6 月 22 日发表在《科学》杂志上。

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当这种聚合物网络被拉伸时，较弱的交联键（蓝色）比任何强聚合物链更容易断裂，从而使裂纹更难以在材料中传播。 图片来源：研究人员提供，由麻省理工学院新闻编辑

这种方法的一个显着优点是它似乎不会改变聚合物的任何其他物理特性。“聚合物工程师知道如何使材料变得更坚韧，但这总是涉及到改变材料的一些其他你不想改变的特性。 在这里，韧性的增强没有任何其他物理特性的显着变化——至少我们可以测量到——并且它是通过仅替换整体材料的一小部分来实现的。” 杜克大学也是该论文的资深作者。

该项目源于约翰逊、克雷格和杜克大学教授迈克尔·鲁宾斯坦（Michael Rubinstein）之间的长期合作，迈克尔·鲁宾斯坦也是该论文的资深作者。 该论文的主要作者是麻省理工学院的博士后王舒，他在杜克大学获得了博士学位。

最薄弱的环节

聚丙烯酸酯弹性体是由通过分子连接在一起的丙烯酸酯链制成的聚合物网络。 这些构建块可以以不同的方式连接在一起，以创建具有不同属性的材料。

这些聚合物经常使用的一种结构是星形聚合物网络。 这些聚合物由两种类型的结构单元制成：一种是具有四个相同臂的星形结构，另一种是充当连接体的链。 这些连接器与恒星每条臂的末端结合，形成一个类似于排球网的网络。

在 2021 年的一项研究中，克雷格、鲁宾斯坦和麻省理工学院教授布拉德利·奥尔森联手测量了这些聚合物的强度。 正如他们所预期的那样，他们发现当使用较弱的末端连接体将聚合物链固定在一起时，材料会变得更弱。 这些较弱的连接体含有称为环丁烷的环状分子，与通常用于连接这些结构单元的连接体相比，可以用小得多的力来破坏这些较弱的连接体。

作为该研究的后续行动，研究人员决定研究一种不同类型的聚合物网络，其中聚合物链在随机位置与其他链交联，而不是在末端连接。

这次，当研究人员使用较弱的连接体将丙烯酸酯构件连接在一起时，他们发现该材料变得更耐撕裂。

研究人员认为，这种情况的发生是因为较弱的键随机分布在整个材料中的强链之间，而不是最终链本身的一部分。 当这种材料被拉伸到断裂点时，任何穿过材料传播的裂纹都会试图避开较强的键，而通过较弱的键。 这意味着与所有键强度相同时相比，裂纹必须破坏更多的键。

“尽管这些键较弱，但更多的键最终需要被打破，因为裂缝会穿过最弱的键，最终会成为一条更长的路径，”约翰逊说。

坚韧材料

通过这种方法，研究人员发现，掺入一些较弱连接基的聚丙烯酸酯比采用较强交联分子制成的聚丙烯酸酯更难撕裂 9 至 10 倍。 即使弱交联剂仅占材料总成分的 2% 左右，也能实现这种效果。

研究人员还表明，这种改变的成分不会改变材料的任何其他特性，例如加热时的抗分解性。

约翰逊说：“两种材料在网络层面具有相同的结构和相同的性能，但在撕裂方面却具有几乎数量级的差异，这是非常罕见的。”

研究人员目前正在研究这种方法是否可以用于提高包括橡胶在内的其他材料的韧性。“关于其他类型的材料可以获得何种程度的增强以及如何最好地利用它，还有很多值得探索的地方，”克雷格说。