软聚合物结合了电解质和传统聚合物的特性，提供了一些独特而理想的特性，可以根据需要进行大幅度的改变。这些凝胶被称为金属聚电解质复合物(mpec，发音为“EM-pecks”)，可以通过磁、电化学和光学刺激进行外部刺激，使其成为一些能源设备、响应式执行器和纳滤系统的理想选择。其核心中的金属离子为材料提供了这些独特的能力，并与聚合物链形成动态的“可逆”离子键，而不是更难打破的共价键。
虽然科学家们之前已经发现并在某些情况下合成了mpec，这些mpec表现出不同寻常的材料特性，例如，在它们形成凝胶之前，它们会随着溶液的pH值而变化，但这些不同寻常的机械特性的确切来源仍然是一个谜。此外，早期的制造技术往往不容易缩放，并且受到成分不均匀的影响。
现在，通过大量的实验室实验，计算
在理论工作和增材制造方面，加州理工学院的一个科学家团队已经开发出一个完整的框架，可以从分子键的水平到材料特性的水平来理解一类mpec。因此，在《自然通讯》杂志上发表的一篇论文中，这项工作为设计和定制具有所需功能和机械性能的凝胶提供了各种路线图。
“我们的实验室通常研究有趣的材料，因为我们把它们构建成特定的微或纳米结构，所以它们对外部刺激有反应。mpec的有趣和令人兴奋之处在于，即使没有这种结构，它们也可以被驱动，”鲁本·f·唐娜·梅特勒材料科学、力学和医学工程教授朱莉娅·r·格里尔说;也是加州理工学院Kavli纳米科学研究所的弗莱彻·琼斯基金会主任。她解释说，这些材料可以表现出截然不同的特性和反应。例如，通过选择金属离子和pH值，样品可以向左或向右弯曲，这取决于施加在它身上的力有多快。在另一种情况下，样品可以完全溶解在水中或保持固体数天，唯一的区别是金属的离子电荷。
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Julia Greer:加州理工学院
格里尔说:“这为‘训练’一整套新材料打开了大门——无论是在计算上还是在实验上——这些新材料可以实现以前具有挑战性的技术，从自我监测的自主过滤器到先进的离子交换膜和催化剂，甚至是人造肌肉。”
“我们真的专注于在分子水平的相互作用与全球范围内的机械性能之间架起一座桥梁，为我们不一定能看到的现象提供洞察力，”Seola Lee说，她是一篇关于这项工作的新论文的共同主要作者，也是格里尔实验室机械工程的博士生，目前是meta的研究科学家实习生。“我们希望我们展示的指导方针能够帮助人们利用这些材料进入设计领域。”
mpec可变性的核心是其核心的金属离子及其与带电聚合物链的连接。许多过渡金属是多价的，这意味着它们可以有不止一个可能的电荷。价电子是由原子的外层电子决定的。例如，铁可以以Fe2+的形式存在，它可能会附着在两条聚合物链上，或者以Fe3+的形式存在，它更可能与三条聚合物链结合。
加州理工学院的研究小组确定，金属离子的价是调节mpec性能的几个杠杆之一，其他杠杆是溶液的pH值和使用的溶剂。
在他们的研究中，该小组使用了一种称为立体光刻的工艺，这是一种3D打印技术，其中光诱导聚合产生了一层一层的固体结构。使用含有各种金属离子的树脂进行这种打印过程，可以打印出一种稳定的聚合物，称为聚丙烯酸(PAA)，这些金属离子与之结合。接下来，他们对这些材料进行了详尽的热学和力学实验，以探测材料在不同长度尺度下的反应。该论文的共同主要作者皮埃尔·沃克(Pierre Walker)是迪克和芭芭拉·迪金森化学工程教授王振刚实验室的化学工程研究生，他分析了数据，并计算了如何从分子水平到全材料尺度的细节建模。
沃克说:“很多调查就像在黑暗中行走，有很多不同的杠杆，当时我们不知道它们的存在。”其他论文在他们的研究中最多只研究了一到两种影响。事实上，我们能够将这三者结合起来，而且我们不仅能够了解它们彼此之间的相互作用，而且能够了解它们如何影响全局属性，这确实使MPEC凝胶的未来用户更容易驾驭这一领域。”
在这篇新论文中，作者描述了他们能够使用新框架设计的几个mpec示例。一种是形状记忆聚合物，它看起来像一朵已经开过的黄色的黏糊糊的花，平躺着。将花加热到90摄氏度后，李手工抬起花瓣，将花闭合成花蕾形状。然后她把整个东西冷却到零下5摄氏度，当她把温度降到90摄氏度时，花开花了，又恢复了原来的形状。在这里，金属的价决定了材料“记忆”其原始形状的程度。由铝(Al3+)制成的凝胶比钙(Ca2+)或钠(Na+)更快、更完全地恢复到开放的花朵位置。
在第二个例子中，科学家们制作了一个凝胶条，其中一边用高pH值制造，另一边用低pH值制造。基于理论模型，科学家们知道了当浸入不同的溶液中时，两边应该如何表现。正如所料，当双分子层浸入水中时，它向左弯曲;在铝溶液中，它向右弯曲。
“我们现在有了一个非常有力的解释，如果你改变这些小分子杠杆，这就是全球范围内的结果，”塞内卡·韦林(Seneca Velling)说，他是格里尔小组的前研究生，现在正在喷气推进实验室(JPL)的起源和可居住性实验室完成他的研究，该实验室是加州理工学院为NASA管理的。“因此，如果你想要一个全局尺度的属性，你可以通过思考什么开始条件使全局属性成为现实来收回它，这是设计材料的一种非常酷的方式。你现在可以自上而下或自下而上地解释它。”
这篇题为“通过动态键合实现增材制造金属聚电解质材料响应性的分子控制”的新论文的其他作者是Amylynn Chen(23届博士)、Zane W. Taylor(22届学士)、Cyrus J.B.M Fiori、Vatsa Gandhi(23届博士)和Wang Zhen-Gang。这项工作得到了加州理工学院自主系统与技术中心、陆军研究办公室合作生物技术研究所和施瓦茨/赖斯曼基金会施瓦茨/赖斯曼合作科学项目的资助。Wang获得了香港政府的香港量子人工智能实验室和AIRInnoHK的资助。
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希望本篇文章《科学家勾勒新型反应凝胶的发展路径》能对你有所帮助！
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