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科學家研發出會變色的自修複凝膠，可拉伸 46 倍

發布時間：2025-09-15 來源：掠人之美網作者：歸來還是裁判

IT之家 9 月 14 日消息，中國台灣地區的研究人員開發出了一種具備可拉伸、自修複特性的凝膠，該凝膠在受到拉伸或加熱時會發生顏色變化。這種材料集強度與內置傳感功能於一體，有望在可穿戴設備和柔性機器人領域開辟頗具前景的應用方向。

簡而言之，這種新型材料可被視為一種“智能彈性體”—— 當它承受壓力時，會通過直觀的顏色變化“告知”外界。這一突破具有重要意義，因為目前多數柔性或可拉伸材料往往存在性能短板：要麽拉伸性能優異但易斷裂，要麽韌性較強卻不具備自修複能力或應力傳感功能。

而這款新型凝膠成功實現了強度、自修複能力與傳感功能的三位一體，實屬難得。

據IT之家了解，這一突破的核心在於對材料分子結構的巧妙設計。研究人員采用了一種名為“輪烷（rotaxane）”的機械互鎖分子，這類分子呈環狀結構，可沿“分子杆”滑動。研究團隊將輪烷以“雛菊花鏈”的形式連接（即兩個輪烷相互鏈接），使其能像彈簧一樣實現更大幅度的伸縮。

在此基礎上，研究團隊還在這些分子上連接了一種名為 DPAC 的特殊熒光單元。當 DPAC 可自由移動時，會發出橙色熒光；而當它的運動受到限製（如材料被拉伸或彎曲時），則會發出藍色熒光。

因此，當凝膠受到拉伸時，輪烷的環狀分子會發生滑動，進而限製 DPAC 的運動，在紫外光照射下，凝膠會肉眼可見地從橙色變為藍色。這些互鎖分子通過化學鍵與聚氨酯凝膠結合，同時凝膠中還添加了纖維素納米晶體（一種微小且強度極高的纖維）以增強結構穩定性。

纖維素的作用在於，通過在凝膠網絡中形成可逆氫鍵，助力材料實現自修複。由於可滑動的輪烷分子是“嵌入”凝膠結構而非簡單混合，其運動能與凝膠的拉伸過程直接關聯。

實驗測試顯示，這種新型材料的拉伸性能極為出色，可安全承受約 4600% 的應變（例如將 1 厘米長的凝膠拉伸至 46 厘米仍不會斷裂）。同時，其韌性也表現突出，韌性值達到 142 兆焦 / 立方米，約為不含輪烷分子的同款凝膠的 2.6 倍。

由於該材料在承受應變時會發生顏色變化（從橙色變為藍色），研究人員隻需觀察其顏色分布，就能繪製出凝膠的應力分布情況。此外，其還會隨溫度變化而變色（高溫時呈橙色，冷卻或受力時呈藍色）。

該材料的核心優勢之一還在於其自修複性能：在室溫環境下，材料受損後數小時內即可完成修複；若進行溫和加熱，修複速度還能進一步加快。

這類材料在實時監測應力與應變的可穿戴設備中具有極高的應用價值。同時，其在柔性機器人領域也有望發揮重要作用，該領域對部件的強度與響應性均有較高要求。

從理論上講，這種材料還可用於製造具備傳感與自修複功能的人造皮膚或生物醫學植入物。此外，這種凝膠或能為“耐損傷電子器件”的研發開辟新路徑：這類器件不會突然失效，而是能通過明顯的顏色變化提示自身所承受的應變。

簡而言之，這款智能凝膠中的微小滑動分子兼具“減震器”與“應力指示器”的雙重作用。當對其施加拉伸力時，它既能實現自我修複，又能通過顏色變化直觀反映所承受的應變量或溫度變化。

相關研究成果已發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。