科學人／兼具剛性和延展性！「奶瓶刷結構」高分子材料如何打破限制

自1839年硫化橡膠發明以來，剛性（stiffness）與延展性（stretchability）難以兼得的經驗，被認為是材料科學中兩項對立的性質。

美國維吉尼亞大學工程與應用科學學院（University of Virginia School of Engineering and Applied Science）的研究團隊，設計了一種「折疊瓶刷高分子網絡」（Foldable Bottlebrush Polymer Networks），首次實現能獨立調控剛性與延展性的材料，為高分子工程學帶來革命性突破。高分子材料越硬，延展性就越差的教條，再也不成立。

這項研究已發表於《科學進展》（Science Advances）。

剛性與延展性不再衝突

剛性與延展性的兩難，困擾了材料科學家兩百年，自固特異發明輪胎後，兩者的權衡就被認為是高分子材料無法克服的天然限制。

這種兩難是由於高分子材料的基本結構是交叉鏈接（crosslinking）。交叉鏈接的數量越多，材料就越硬，但是延展性就越差，也越容易斷裂。減少交叉鏈接的數量，可以增加延展性，但也犧牲了材料的強度。

奶瓶刷結構，刷去材料科學的窠臼

然而，研究團隊發揮創意，打破了這條的魔咒。

突破限制的關鍵來自於改變高分子鍵結的設計，而非只是單純調整交叉鏈接的密度。研究團隊發明了一種像是奶瓶刷的高分子結構，其中包含了兩種鏈接型態。

類似彈簧的主鏈（Backbone），可在受力時折疊或展開。這種設計使材料在伸展時還有一些「餘裕」可以緩衝。主鏈的設計，比傳統聚合物多達40倍的延長能力。

主鏈的周圍，環繞輻射狀排列的側鏈（Side Chains），可在不影響主鏈延伸性的情況下，獨立控制材料的剛性。

這種設計可望成為一種通用的策略，在奶瓶刷的基礎下，不同的化學成份，甚至能做出在低溫下也能保持柔韌的材料，還能夠製造類似活體組織的凝膠！

潛力無限的實用性

這項設計帶來許多應用的可能性，例如堅固又有彈性的心臟支架、靈活又不失支撐性的義肢、能夠貼合人體的電子皮膚或是智能纖維，甚至能增加導電功能成為穿戴式電子產品、添加銀離子製成抗菌醫療用品。當然，要做成情趣用品也是可以。

研究團隊總結：「這項技術為高分子材料的設計提供了無限可能。可以根據不同需求，設計兼具剛性與延展性的材料，並結合各種無機材料，打造全新的功能性複合材料。」

資料來源：

1. Huang, Baiqiang, Shifeng Nian, and Li-Heng Cai. "A universal strategy for decoupling stiffness and extensibility of polymer networks." Science Advances 10.48 (2024): eadq3080.

2. Team solves a nearly 200-year-old challenge in polymers to offer independent control of stiffness and stretchability

（本文出自2025.02.20《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）