你被逮捕了！運用手銬原理製造柔韌並存材料

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文／施奇廷 2021-12-24 10:00

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你被逮捕了！運用手銬原理製造柔韌並存材料圖／米各

文／施奇廷

在警匪劇的最後一幕中，經常是警察逮捕犯人，銬上手銬，犯人就逃不掉了。但你知道嗎？「手銬的原理」也能用來設計新的材料：「超級果凍」。

你喜歡吃果凍嗎？軟Q、溼潤、冰涼，輕輕一咬，果凍在口中碎裂，充滿果汁的香甜，是夏天消暑聖品。

不過你能想像有種類似果凍的材料，可以保有跟果凍一樣軟Q溼潤的特性，但是又堅固得不得了，連車子也壓不壞嗎？

含水量高象壓不壞

英國劍橋大學的研究團隊，利用「分子手銬」，將高分子聚合物「銬」住，變成一種既柔軟又強韌，具有玻璃結構的「超分子網路」。這種材料，看起來真的就像塊果凍一樣，半透明且軟Q軟Q的，而且含水量高達80%。若是把它放在地上，連大象也踩不壞——不過若想在實驗室裡面牽頭大象，來做材料強度的實驗有點麻煩，所以研究員改用一台1200公斤的汽車，把這塊果凍來回碾壓12次。雖然過程中的壓縮率高達93%，不過材料卻毫髮無傷，並且在兩分鐘之內完全恢復原來的形狀。

長鏈互銬增加韌度

一般的高分子材料，靠的是長鏈高分子之間互相糾纏所形成的網路而成，在較大的壓力下，受力的分子糾纏會被斷開。本研究中的「超分子網路」除了高分子間的長鏈，還利用一種稱為「葫蘆巴脲」（Cucurbituril）的水桶狀分子，讓數條高分子長鏈穿過這個「水桶」中央空心的部分，像手銬一樣，把這幾條高分子長鏈銬在一起，增加了網路的強韌程度；同時因為這些水桶分子並非鎖死不動，壓力下來時可以沿著長鏈往兩邊滑開，達到受力分散的效果，使得這種材料能兼顧柔軟與強韌兩種特性。

此材料能承受的壓縮應力在100MPa以上，強度跟你家的鑄鐵鍋差不多（130MPa）。咦？MPa是什麼？MPa就是每平方公分承受一噸重的力量。它的這些特性，讓這種材料可望能運用在許多領域，特別是在醫學上，可以用來當作「人工軟骨」，也可以拿來作「軟性機器人」，也就是「像人而不像機器」的機器人。相關研究發表於2021年11月25日的《自然材料科學》。

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