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普通玻璃大多是無(wú)機(jī)玻璃,主要成分以二氧化硅和硅酸鹽復(fù)鹽(Na2SiO3、CaSiO3)為主,是一種無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體。制作時(shí)以把石英砂、石灰石、長(zhǎng)石、純堿等原材料高溫加熱熔融,在熔融時(shí)形成玻璃液,冷卻成形退火后轉(zhuǎn)變成具有固定形狀的固體制品。這種玻璃打破后會(huì)碎成不規(guī)則的片狀,不能再連接在一起,也就是平常人們雖說(shuō)的“破鏡不能重圓”。
目前常用的玻璃一旦破裂就無(wú)法修復(fù),近日,日本東京大學(xué)教授相田卓三等人最新發(fā)明的可以“破鏡重圓”的玻璃是一種半透明高分子材料,屬于有機(jī)玻璃。這種新型有機(jī)玻璃材料能夠?qū)崿F(xiàn)自我修復(fù),今后有望用于開發(fā)新型玻璃制品。研究論文日前已發(fā)表在美國(guó)《科學(xué)》雜志上。(DOI:10.1126 / science.aam7588)
TUEG 3及其參考聚合物分子結(jié)構(gòu)和表征
通常,由于長(zhǎng)聚合物鏈的纏結(jié),非結(jié)晶的聚合物形成堅(jiān)固的高分子材料。然而,這種材料一旦斷裂,除非被加熱熔融,否則它們難以自我修復(fù),因?yàn)槔p結(jié)的聚合物鏈在合理的時(shí)間尺度內(nèi)擴(kuò)散太慢以致不能合并斷裂部分。低分子量聚合物當(dāng)它們通過(guò)氫鍵等非共價(jià)鍵交聯(lián)時(shí),可以被制成機(jī)械穩(wěn)定但又可聚合的聚合物材料,因?yàn)樗鼈兊膭?dòng)態(tài)性能可以通過(guò)改變交聯(lián)密度來(lái)調(diào)節(jié)。到目前為止,橡膠狀軟材料和熱塑性彈性體與氫鍵已被設(shè)計(jì)為輕柔壓縮愈合。然而,大量的氫鍵的存在經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)晶或高分子材料的聚類,由此使它們具有脆性。換句話說(shuō),高強(qiáng)度堅(jiān)固性和愈合能力往往是相互排斥的。
聚合物基質(zhì)中硫脲和脲部分的氫鍵相互作用
文章中研究人員稱他們發(fā)現(xiàn)聚醚硫脲,如TUEG2和TUEG3,盡管攜帶稠密的氫鍵硫脲單元,但卻異常地形成非晶態(tài)材料。更有趣的是,這些材料機(jī)械強(qiáng)度高,而且可以很容易地通過(guò)壓裂在斷裂表面進(jìn)行修復(fù)。盡管攜帶大量H鍵硫脲單元,為什么它們是非晶態(tài)的?他們發(fā)現(xiàn)它們的H鍵硫脲陣列幾何是非線性的,所以它們不會(huì)誘導(dǎo)結(jié)晶。
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一塊長(zhǎng)20毫米、寬10毫米、厚2毫米的聚醚硫脲半透明玻璃,一裂為二,分別用鑷子夾住兩部分,緊密貼合一會(huì)兒,兩部分玻璃就連在一起,隨后還能借助夾子勾起300克重的砝碼。
聚合硫脲衍生物在壓縮時(shí)的愈合行為
聚合物鏈在聚(醚 - 硫脲)和聚(亞烷基 - 硫脲)中通過(guò)交換氫鍵對(duì)的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)
目前的工作提供了下面列出的基本結(jié)構(gòu)要素,用于設(shè)計(jì)機(jī)械堅(jiān)固但可重疊的聚合物材料:(1)較短的聚合物鏈,允許更大的分段運(yùn)動(dòng);(2)通過(guò)大量氫鍵的緊密交聯(lián)更好的機(jī)械性能;(3)不引起結(jié)晶的非線性(較少有序的)氫鍵陣列,以及(4)實(shí)現(xiàn)促進(jìn)H鍵合對(duì)交換的機(jī)制。連接TUEG 3的硫脲單元的三甘醇間隔物最優(yōu)地調(diào)節(jié)用于交換H-鍵鍵合硫脲對(duì)的活化能; 因此,聚合物材料盡管非共價(jià)鍵地高度交聯(lián),但是可以僅通過(guò)壓縮而無(wú)需加熱就可以愈合。
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