变革性技术已经从跨越工业、生物医学和电子应用的软聚合物材料中实现。 软材料的可压缩性和灵活性也激发了“科幻”类型的软人形机器人，它们栩栩如生的特征与传统粗糙的金属机器人形成鲜明对比。 为了实现这样的愿景，软材料已被制造成运动机器人、电子皮肤和软致动器。然而，实现具有极高压缩性、超高压缩强度和在环境条件下完全自恢复的材料仍然是许多软材料的局限性。现在，在 Nature Materials 上，Zehuan Huang 及其同事报告了包含动态交联基序的超分子聚合物网络，其解离速率可以通过结构设计进行调节，使这些软材 料具有高抗压强度，在室温下多次循环后不会破裂和快速恢复压缩，即使在汽车反复压缩时也是如此。
基于作者先前的工作揭示了 CB[8] 对其空腔内苯基和全氟苯基客体之间的极性- 相互作用的稳定作用，作者探索了由 CB[8] 和全氟苯基第一客体形成的杂三元配合物的动态特性受一系列芳香分子作为第二客体的影响（图 1a）。目的是确定分子设计规则，以提供这些异源宿主 - 客体相互作用的可调结合亲和力和解离率。他们发现这些特性与第二个客体的疏水性密切相关；增加这种芳香客体的疏水性会导致更高的亲和力和降低的解离率，根据客体设计跨越几个数量级。然后，作者将各种这些客体对结合到聚合物上以形成 CB[8] 介导的异三元交联 网络。这些材料的粘弹性由此可根据第二客体的解离速率进行调节。值得注意的是，具有缓慢解离速率的主客体复合物表现出从典型的橡胶状状态转变为罕见的玻璃状状态。通过客体设计改变解离率的能力进一步揭示了动态超分子材料的新比例关系。
图 1：具有缓慢动力学的超分子交联产生具有极高可压缩性的软材料。
令人兴奋的功能特性来自于这种玻璃状体系中的超分子软材料。例如， 这些材料的抗压强度高达 100 MPa，并且不会在重复压缩至 93% 应变和随后的松弛循环时破裂。取而代之的是，材料在压缩后的室温下在不到 2 分钟的时间内完全恢复其原始特性。在汽车（~300 kg）的负载下反复压实并在每个循环中保持 1 分钟（图 1b）， 也产生了显着的强度和可恢复性。为了展示这些材料在生物电子应用中的一种可能用途，Huang 及其同事制造了一种基于水凝胶的电容式压力传感器，该传感器可以承受高达 2.5 MPa 的工作压力。其超 可压缩性导致出色的灵敏度，当放置在人脚底下时，可以实时监测和识别与步行、跳跃和站立相关的压力（图 1c）。
材料设计的一个长期目标是将分子尺度特征转化为对散装材料特性的控制。因此，超分子相互作用的可调性、定向性和可预测性为实现这一目标提供了一种强有力的方法。然而，使用非共价相互作用形成软材料往往会导致可变形特性，从而限制了在需要适度压缩的情况下的使用。通过减缓这些相互作用的解离速率， Huang 及其同事提供了一种范式转换方法来获得动态超分子材料的有用特征，例如固有的自愈能力，同时实现极端的可压缩性和高强度。通过这项工作，表明“软”和“动态”特征并不一定意味着“弱”材料。相反，访问这种不常见的玻璃状体系为将超分子软 材料用于生物电子和软机器人应用提供了新的可能性，匹配形式以实现更逼真的生物集成设备的功能。
相关论文以题为 Dynamic soft materials as tough as glass 发表在 《 Nature Materials 》 上。 通讯作者 是 Matthew J. Webber 教授 。
参考文献 ：
doi.org/10.1038/s41563-021-01176-z