携带“复杂记忆”的可变形物质
2016年01月29日 来源：《中国科学报》
很多科研领域都与材料学相关联，比如手机屏幕的升级、可穿戴设备的创新，现在又有一种材料完成了进化，为其他领域进一步发展提供了可能。
今年1月出版的美国《科学进展》杂志上报道了中国的研究人员将形状记忆聚合物完成了升级，这种材料可折叠成各种复杂的形状，将工业折纸术提升至新的水平，为医疗和航天应用提供了广泛的可能性。
来自浙江大学化工学院化学工程国家重点实验室的教授谢涛在文章中称，他们研究的这种新型聚合物塑料能够根据预设的温度变化而适时改变自身形状，而且它可以在不“擦除”之前形状的情况下改变为新的形状，令其适用于难以通过常规手段由机器或模具制造的复杂部件。
为展示其能力，研究人员通过控制折叠与环境温度，不断地使一小片这种新的聚合物材料变形，从飞机的形状回复成鸟的形状，再变成风车的形状，然后又回复成船的形状。
神奇的形状记忆聚合物
形状记忆聚合物，又被称为形状记忆高分子，是指具有初始形状的制品在一定的条件下改变其初始条件并固定后，通过外界的热、电、光、化学感应等刺激又可恢复其初始形状的高分子材料。根据其回复原理，形状记忆聚合物又可分为热致型、电致型、光致型和化学感应型。
这种材料本身诞生多年，从上个世纪40年代，研究人员就一直在对可变形的聚合物和金属进行实验，这些聚合物和金属能够被压扁、扭曲或弯曲为暂时的形状，然后在接触到高温、光线、湿气或磁场的时候恢复至它们原有的形状。虽然形状记忆聚合物的潜在应用一直被看好，但一直有一项桎梏难以被打破，就是它的原始形状要么无法改变，要么每次改变的时候都会将上一次的形成原始形状的“记忆”清除干净（即失忆）。
让它携带记忆
虽然一直以来，人们都在适应形状记忆聚合物“失忆”的状态，并力求制造出一次成型的模具，已达到研究人员希望得到的形状，但是越来越复杂的形状对模具的制作提出了挑战。
谢涛的团队却在一次偶然中看到了形状记忆聚合物新的未来。一位来自法国的科学家在论文中提到了可逆共价聚合物网络，其目的是利用结构重组来实现热固性聚合物的再加工。谢涛团队则意识到类似机理有可能用于聚合物网络的塑性变形，并开始研究如何在传统的形状记忆聚合物中加入可逆共价键。“传统形状记忆机理负责弹性形变，而引入的可逆共价键则负责塑性形变。”团队成员论文第一作者赵骞博士解释道。
二合为一的新物质展现出令人欣喜的变化，就是它的原始形状不仅可以重新定义，且在此过程中不会失忆，而是可以携带着上次加工过的形状记忆进行多次加工。“这类材料属于可编程物质，类似电脑一样，某些功能可以通过物理编程的方法来改变。形象地说，以前的材料就像功能有限的电脑，其可编程余地比较有限。近十年来的科学发展，包括我们在2010年《自然》发表的一项工作大大地拓宽了变形的复杂性，现在一个材料能同时编入很多个临时形状已经很普通了，我们称之为多形状记忆。以往的形状记忆效应基本集中在临时形状记忆的多样性及可逆性，而我们在《科学进展》的这项工作则指出一个可以将其原始形状编程的方法。这就可以得到各种各样、复杂得多的永久形状。这创造了新的可能性。”谢涛告诉《中国科学报》记者。
如此一来，应用到形状记忆聚合物的相关领域，不再需要受模具的限制，而是可以将复杂的形状拆解为几个简单形状的叠加，最终得到一个相当复杂的形状。
“可编程物质方面的基础研究很多由美国军方在推，尤其是美国国防部高等研究院（DARPA），空军及美国宇航局（NASA）。原因之一他们认为这有可能未来导致一些颠覆性的技术。”谢涛介绍道，“不过，其实可编程物质在任何领域都可以应用，不限于军事。比如在医学领域，尤其是微创手术上有很多的应用例子。”
对此，赵骞补充道，目前医学中使用的支架，就可以使用形状记忆聚合物制作，“它可以缩小为很小的体积，然后通过微创进入人体后，再因为人体的温度变化，在特定位置展开。”
“我们希望在先进制造技术中有所突破，目前和清华大学在柔性电子制造中已取得一些很有意义的进展。此外，在面对骨骼修复的四维打印方面我们也有一些成果。但其潜力远远超出这两个例子，只是限于人力、物力等资源我们目前只能集中做这些。”谢涛表示。（记者 袁一雪）
