原標(biāo)題：攜帶“復(fù)雜記憶”的可變形物質(zhì)
圖A為一張聚合物膜被永久塑形為一只“鳥(niǎo)”，這只鳥(niǎo)可以臨時(shí)地變形為一架“飛機(jī)”，然后形狀記憶彈性回復(fù)為鳥(niǎo)；也可以繼續(xù)永久地變成其他形狀。
很多科研領(lǐng)域都與材料學(xué)相關(guān)聯(lián)，比如手機(jī)屏幕的升級(jí)、可穿戴設(shè)備的創(chuàng)新，現(xiàn)在又有一種材料完成了進(jìn)化，為其他領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展提供了可能。
今年1月出版的美國(guó)《科學(xué)進(jìn)展》雜志上報(bào)道了中國(guó)的研究人員將形狀記憶聚合物完成了升級(jí)，這種材料可折疊成各種復(fù)雜的形狀，將工業(yè)折紙術(shù)提升至新的水平，為醫(yī)療和航天應(yīng)用提供了廣泛的可能性。
來(lái)自浙江大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的教授謝濤在文章中稱，他們研究的這種新型聚合物塑料能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度變化而適時(shí)改變自身形狀，而且它可以在不“擦除”之前形狀的情況下改變?yōu)樾碌男螤睿钇溥m用于難以通過(guò)常規(guī)手段由機(jī)器或模具制造的復(fù)雜部件。
為展示其能力，研究人員通過(guò)控制折疊與環(huán)境溫度，不斷地使一小片這種新的聚合物材料變形，從飛機(jī)的形狀回復(fù)成鳥(niǎo)的形狀，再變成風(fēng)車的形狀，然后又回復(fù)成船的形狀。
神奇的形狀記憶聚合物
形狀記憶聚合物，又被稱為形狀記憶高分子，是指具有初始形狀的制品在一定的條件下改變其初始條件并固定后，通過(guò)外界的熱、電、光、化學(xué)感應(yīng)等刺激又可恢復(fù)其初始形狀的高分子材料。根據(jù)其回復(fù)原理，形狀記憶聚合物又可分為熱致型、電致型、光致型和化學(xué)感應(yīng)型。
這種材料本身誕生多年，從上個(gè)世紀(jì)40年代，研究人員就一直在對(duì)可變形的聚合物和金屬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這些聚合物和金屬能夠被壓扁、扭曲或彎曲為暫時(shí)的形狀，然后在接觸到高溫、光線、濕氣或磁場(chǎng)的時(shí)候恢復(fù)至它們?cè)械男螤睢ｋm然形狀記憶聚合物的潛在應(yīng)用一直被看好，但一直有一項(xiàng)桎梏難以被打破，就是它的原始形狀要么無(wú)法改變，要么每次改變的時(shí)候都會(huì)將上一次的形成原始形狀的“記憶”清除干凈（即失憶）。
讓它攜帶記憶
雖然一直以來(lái)，人們都在適應(yīng)形狀記憶聚合物“失憶”的狀態(tài)，并力求制造出一次成型的模具，已達(dá)到研究人員希望得到的形狀，但是越來(lái)越復(fù)雜的形狀對(duì)模具的制作提出了挑戰(zhàn)。
謝濤的團(tuán)隊(duì)卻在一次偶然中看到了形狀記憶聚合物新的未來(lái)。一位來(lái)自法國(guó)的科學(xué)家在論文中提到了可逆共價(jià)聚合物網(wǎng)絡(luò)，其目的是利用結(jié)構(gòu)重組來(lái)實(shí)現(xiàn)熱固性聚合物的再加工。謝濤團(tuán)隊(duì)則意識(shí)到類似機(jī)理有可能用于聚合物網(wǎng)絡(luò)的塑性變形，并開(kāi)始研究如何在傳統(tǒng)的形狀記憶聚合物中加入可逆共價(jià)鍵。“傳統(tǒng)形狀記憶機(jī)理負(fù)責(zé)彈性形變，而引入的可逆共價(jià)鍵則負(fù)責(zé)塑性形變。”團(tuán)隊(duì)成員論文第一作者趙騫博士解釋道。
二合為一的新物質(zhì)展現(xiàn)出令人欣喜的變化，就是它的原始形狀不僅可以重新定義，且在此過(guò)程中不會(huì)失憶，而是可以攜帶著上次加工過(guò)的形狀記憶進(jìn)行多次加工。“這類材料屬于可編程物質(zhì)，類似電腦一樣，某些功能可以通過(guò)物理編程的方法來(lái)改變。形象地說(shuō)，以前的材料就像功能有限的電腦，其可編程余地比較有限。近十年來(lái)的科學(xué)發(fā)展，包括我們?cè)?010年《自然》發(fā)表的一項(xiàng)工作大大地拓寬了變形的復(fù)雜性，現(xiàn)在一個(gè)材料能同時(shí)編入很多個(gè)臨時(shí)形狀已經(jīng)很普通了，我們稱之為多形狀記憶。以往的形狀記憶效應(yīng)基本集中在臨時(shí)形狀記憶的多樣性及可逆性，而我們?cè)凇犊茖W(xué)進(jìn)展》的這項(xiàng)工作則指出一個(gè)可以將其原始形狀編程的方法。這就可以得到各種各樣、復(fù)雜得多的永久形狀。這創(chuàng)造了新的可能性。”謝濤告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。
如此一來(lái)，應(yīng)用到形狀記憶聚合物的相關(guān)領(lǐng)域，不再需要受模具的限制，而是可以將復(fù)雜的形狀拆解為幾個(gè)簡(jiǎn)單形狀的疊加，最終得到一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的形狀。
前景廣闊的基礎(chǔ)研究
“可編程物質(zhì)方面的基礎(chǔ)研究很多由美國(guó)軍方在推，尤其是美國(guó)國(guó)防部高等研究院（DARPA），空軍及美國(guó)宇航局（NASA）。原因之一他們認(rèn)為這有可能未來(lái)導(dǎo)致一些顛覆性的技術(shù)。”謝濤介紹道，“不過(guò)，其實(shí)可編程物質(zhì)在任何領(lǐng)域都可以應(yīng)用，不限于軍事。比如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是微創(chuàng)手術(shù)上有很多的應(yīng)用例子。”
對(duì)此，趙騫補(bǔ)充道，目前醫(yī)學(xué)中使用的支架，就可以使用形狀記憶聚合物制作，“它可以縮小為很小的體積，然后通過(guò)微創(chuàng)進(jìn)入人體后，再因?yàn)槿梭w的溫度變化，在特定位置展開(kāi)。”
“我們希望在先進(jìn)制造技術(shù)中有所突破，目前和清華大學(xué)在柔性電子制造中已取得一些很有意義的進(jìn)展。此外，在面對(duì)骨骼修復(fù)的四維打印方面我們也有一些成果。但其潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這兩個(gè)例子，只是限于人力、物力等資源我們目前只能集中做這些。”謝濤表示。（記者 袁一雪）