近日，德国哥廷根大学张凯教授和团队发现了一种水响应纤维素聚合物。

图 | 张凯（来源：资料图）

这种聚合物具备自适应的特性，无需外加刺激，只需在水的帮助之下，就能做出不同的机械响应行为。

同时，这种聚合物还具有较高的杨氏模量，和常见的软物质有着明显区别。此外，在一些其它场景中，它还具备维持形状的能力。

拓展纤维素高分子材料的科学边界，为相关应用提供新可能

之前，课题组曾研发出一种名为“水固”的材料制备，在此基础之上他们又在本次研究之中引入了名为“水训练”的新策略。

所谓水训练，就是通过控制材料在水中的浸泡时间，来改变内部分子链和分子链之间、以及分子链和水之间的相互作用，进而让材料产生新的结构和性能。

通过不同时间的水训练，材料的杨氏模量和断裂伸长率，呈现出动态的变化。

这意味着只需通过简单的物理处理手段，就能调节材料的机械响应行为。通过此，该团队归纳总结出一套独特的变形机制。

在这种机制的作用之下，从材料接触水的那一刻开始，它的内部会有两股力量始终处于竞争状态：一个是保持形状的力，一个是恢复原始形状的力。

当这两股力在材料内具备一定界限，并能维持平衡的时候，就能产生一种全新的水形状。

这时，材料不仅会对水产生多重的机械响应行为，并能产生多种多样的适应性。

这意味着：假如一种材料能在短时间内迅速恢复形变，那么就能用于需要快速响应的应用场景。制备这种材料的方法也很简单：只需要将水训练的时间缩短即可。

而假如一种材料需要在水中的长期使用中保持可靠的稳定形状，那么只需延长水训练的时间即可。

此次研究的实验显示：经过 3 小时的水训练之后，本次材料表现出高度的形状稳定性，即使在去离子水和磷酸盐缓冲液中也能存在 20 个月以上。

总的来说，本次研究不仅在理论上拓展了纤维素高分子材料的科学边界，也为相关应用提供了新可能。

从而能为智能纤维素材料的开发提供新思路，推动其在生物医学、软体机器人和智能塑料制品等领域的应用。

首先，在生物医学领域，本次聚合物材料在存在水的环境之下，可被用于开发更灵活、更耐用的生物植入物和外皮肤。

其次，在软体机器人领域，本次聚合物材料可被用来制备功能更多样、灵活度更高的机器人部件。

由于软体机器人需要在不同环境下执行复的任务，因此在制备软体机器人时采用具有自适应特性的材料，能够帮助它们更好地应对外界变化。

再次，在智能塑料制品领域，本次聚合物材料能让这类制品拥有自适应的机械特性，从而能够提升耐久度和功能性。

最后，在建筑材料领域，本次聚合物材料也可用于制造新型建筑结构，该类结构能够根据外界环境变化进行自动调节。

（来源：Nature Communications）

通过“水训练”来调节材料的机械性能

据介绍，本次研究一方面源于该团队在纤维素聚合物材料领域的长期探索，另一方面基于他们对纤维素聚合物材料这种高分子材料所展现的独特力学性质的好奇心。

人类所生活的环境是平衡的，但又是动态的。平衡和动态与否，经常取决于宏观尺度和微观尺度上力的相对变化。

纤维素基聚合物材料，自古以来就在人类社会中占据重要地位。在现代工业和日常生活中更是无处不在，但是对于它们的机械性能来说，在成型之后通常固定在某个时间尺度。

值得注意的是，当施加一些外部刺激比如热、光、电的时候，往往能够改变纤维素基聚合物材料机械行为。

这意味着在不同环境条件下，这些材料无法自动调整自身特性，自然也就无法应对外界的变化。这样一来，它的应用范围就会受到外源环境的限制。

举例来说：使用高分子材料遇热塑化的特性，可以将其模塑成为塑料制品，比如日常生活中常见的饮料瓶。

然而，一旦塑料瓶碰触到高温之后，瓶子的形状就会变形甚至坍塌，这显然违背了材料加工成型的初衷，让其实际应用范围受到了极大限制。

而对于水响应的功能材料来说，其在生物医学领域具有广阔的应用前景，比如可被用于制造器件栓塞、手术绷带、心脏支架、以及药物定向缓释器件等。

但是，此前绝大多数材料在水中的稳定性并不高，而且它们高度依赖于其它类型的刺激因子比如热刺激，只有受到这类刺激之后才能完成形状记忆和形状释放。

这会导致材料发生受热不可控变形的风险，而且还存在长期使用之后易脱落的问题。同时，这些刺激响应力学行为，大多基于相分离等已知科学原理。

对于纤维素及其衍生物的研究，一直以来都被视为是材料科学的重要组成部分。

此外，作为一类特殊的高分子，纤维素具有很多有别于其他高分子的独特特性。

一直以来，张凯都非常希望发掘纤维素聚合物独特的物理化学性质，并尝试将其本征特性投入实际应用。

他和团队希望解决已有材料在应力松弛和形变恢复方面的单一性。即利用纤维素为原料，制备出一种新型智能材料，让其在不同的时间尺度内均能表现出不同的机械响应性能。

而之所以定下本次课题：

一方面基于该团队此前所发现的“水塑料”方法和“水固”方法。

另一方面基于他们所发现的一种新现象：当水处理时间长短不同的时候，材料也会发生不同的力学表象。

通过实验他们判定：使用水来处理材料时，材料的不同区域会产生不同的机械性能，进而会让材料拥有不同的响应性。

随后，他们通过分析产生这些机械性能和响应性能的原因，归纳出一种独特的变形机制，并研发了相应的制备策略和加工策略。

与以往使用水针对材料进行被动加工不同的是，该团队转而使用水来主动调节已成型的可持续聚合物材料的结构和功能。

所提出的新型响应机制，也体现了思维方式的创新能。即展示了通过简单的水训练策略，来调节高分子材料的机械性能的可能。

日前，相关论文以《水训练在空间上调节具有竞争机制的水适应性聚合物的微结构》（Water training initiates spatially regulated microstructures with competitive mechanics in hydroadaptive polymers）为题发在 Nature Communications[1]。

Wenbo Chen 是第一作者，张凯担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

未来，课题组希望将在纤维素聚合物材料中的发现，进一步拓展到高分子材料的合成中。

同时，他们也会关注这些材料在实际应用中的表现，以期实现科研成果的转化。

并将尝试将人工智能技术引入后续研究之中，打造一款能够预测材料结构与性能的大模型。

参考资料：

1.Chen, W., Huang, C., Biehl, P.et al. Water training initiates spatially regulated microstructures with competitive mechanics in hydroadaptive polymers. Nat Commun 15, 6093 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50328-7

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