科学家们首次研制出一种热敏性高分子材料，该材料具有多重形状记忆能力，在高温下即可实现变形。该研究开创了新一代可循环使用的自折叠材料，可广泛应用于医疗移植手术、柔性电子材料等多个领域，被誉为“材料科学一小步，折叠工艺一大步”。
自折叠材料（Self-folding materials）并非一项新课题。早在第一代形状记忆高分子材料出现之时，该材料便能在高温下折叠成预定的单一形状。之后的几代材料则能在光、电场、磁场等其他激励源下实现变形。而变形的实现则是基于高分子所具有的弹性：低温下，高分子链呈卷绕状，当温度升高时，分子链伸展成为新的形状，当温度再次降低，分子链立刻弯曲，回到默认的卷绕状。这就是对原始形状的记忆能力。
弹性形状记忆材料只能记忆2至3种形状。但是，最新一项发表于《科学》杂志的研究指出，新型形状记忆材料可记忆成百上千种形状。
新型形状记忆材料的关键在于引发了材料塑性的变化，而非弹性的变化。
弹性是指材料在一定的限度应力以内，恢复原始形状的趋势，而塑性则是指材料发生永久变形而不破坏其完整性的能力，即“被重塑”的能力。
“问题在于，对于一种高分子而言，是否能够存在以上两种变形行为。” 中国杭州化学工程国家重点实验室的化学工程师Tao Xie解释道。
Xie及其团队从弹性材料——交联型聚己内酯，或称PCL（cross linked polycaprolactone）入手，制备出了兼具弹性和塑性的材料。为了赋予材料塑性，研究者向聚己内酯中加入1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)。在弹性形变极限温度附近，PCL分子链将在几种形状排列中反复变化。当超过塑性形变极限温度时，TBD将起到分子间键合的作用。在到达退火温度前，通过人为控制分子形状，即可重设材料的原始形状。
在Xie的研究中，PCL和TBD以特定形式键合，其结果是，弹性形变极限温度和塑性形变极限温度相差甚远。在此温度区间内，材料能够在几种形状中清晰转化，分界明确。如若不然，材料的各个形状将混作一团，就像电影《终结者2》中的T-1000液态金属一样。
经数月努力，该团队通过微调PCL和TBD混合物的各项参数，终于锁定了关键的温度区间。新材料的弹性形变极限温度和塑性形变极限温度分别为70°C和130°C。为了展示该材料的多重形变能力，Xie的团队分别利用其弹性形变和塑性形变的能力，将一30平方毫米的材料折叠成几种不同的形状，如下图所示。
图：新材料的弹性形变和塑性形变步骤
据《科学》杂志报道，该材料不仅具有多重形变能力，且可在各个形状之间变化数百次而不产生疲劳失效。该特性在实际应用中至关重要。
该团队正在研发可在低温下工作的自折叠材料。“对我们而言，最大的挑战并不在于技术，而在于去想象变形行为带来的种种可能。”Xie解释道。他认为，柔性电子材料将成为一大应用。想象手握一张电子报纸，你的体温使它表现塑性而展开，而当你阅读完毕，报纸又自发合上，恢复原状。
“该成果将成为形状设计系统中的一项创举”，美国俄亥俄州赖特帕特森空军基地的化学工程师Timothy White也表示，“该材料可用于制造可伸缩天线。”
译自：sciencemag
来源：材料与测试
译者：Kate0609
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