固體物質(zhì)通常包含針對(duì)特定條件的單一穩(wěn)定固態(tài)。材料科學(xué)家設(shè)想具有可互換固態(tài)的新材料將有利于各種技術(shù)應(yīng)用。在現(xiàn)在發(fā)表在Nature Materials上的一份新報(bào)告中，F(xiàn)ut(Kuo)Yang及其在加拿大和中國的化學(xué)工程，生物工程和生物技術(shù)的跨學(xué)科部門的同事描述了二合一混合材料的開發(fā)。

他們用浸有過冷鹽溶液的聚合物組成材料，稱為“鹽凝膠”。該材料在不同溫度(-90℃至58℃)和壓力下呈現(xiàn)兩種不同但穩(wěn)定且可逆的固態(tài)。當(dāng)科學(xué)家刺激成核時(shí)，材料從一個(gè)清澈柔軟的固體轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨矤顟B(tài)，即10 4時(shí)間比原始時(shí)間更硬(15 kPa vs. 385 MPa)。他們通過瞬態(tài)加熱將硬固體轉(zhuǎn)變回軟稠度，以證明轉(zhuǎn)變的可逆性。該研究探討了液態(tài)穩(wěn)態(tài)物理亞穩(wěn)態(tài)的概念和Yang等人。將工作擴(kuò)展到糖醇，形成刺激響應(yīng)和非蒸發(fā)“糖凝膠”。這種二合一混合材料將用于軟機(jī)器人和粘合劑應(yīng)用。

改變剛度的材料為工程師提供了矛盾的形狀適應(yīng)性和承載能力，這對(duì)于包括軟機(jī)器人，粘合劑/粘合劑和航空在內(nèi)的各種技術(shù)領(lǐng)域非常重要。然而，維持這種智能材料的機(jī)械響應(yīng)受到外部刺激的要求的限制。創(chuàng)建二合一固體的解決方案是探索這種材料的機(jī)械或結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)定性。這是通過折紙或基里加米啟發(fā)的超材料觀察到的，這些超材料可以通過拓?fù)錉顟B(tài)的變化來改變它們的剛度。

為了獲得雙穩(wěn)態(tài)，潛在的機(jī)制必須在兩者之間形成能量障礙，其中每個(gè)狀態(tài)都以能量最小值休息。例如，液體結(jié)晶可滿足該要求，其中液體最初需要形成足夠大的晶體原子或分子簇。然后，轉(zhuǎn)變結(jié)晶相的自由能增益必須克服在液體和晶體之間形成界面的自由能成本?？茖W(xué)家可以通過二次成核誘導(dǎo)自組裝來克服界面之間的能量障礙(從現(xiàn)有晶體形成新晶體)用于液晶轉(zhuǎn)變和用于晶體 - 液體轉(zhuǎn)化的熱量。對(duì)于具有純固體的相變，該方法相對(duì)更困難，其中結(jié)晶相和非結(jié)晶相都是固體。

作為一種示例材料，三水合乙酸鈉是一種相變材料(PCM)，通常稱為“熱冰”，因?yàn)樗诶鋬鲞^程中釋放熱量，具有眾所周知的過冷能力。雖然固體的熔點(diǎn)為58攝氏度。在室溫下，它可以作為過冷液體保持穩(wěn)定多年，應(yīng)用于季節(jié)性儲(chǔ)能 .Yang等人通過使用相容的聚合物網(wǎng)絡(luò)提供固體醋酸鈉三水合物另外的固體形式，以產(chǎn)生可印刷和輕質(zhì)混合材料稱為sal-gel。該材料可以互換地切換其有效剛度，無需外部刺激，使科學(xué)家能夠充分利用鹽的相變和亞穩(wěn)態(tài)。

混合材料在熔化時(shí)轉(zhuǎn)變成橡膠狀形式，用于按需形狀固定，剛度變化大于10 4倍。與先前開發(fā)的剛度改變材料相比，該特征對(duì)于“二合一”固體是非常期望的。新材料與不斷增長的性能相關(guān)，以實(shí)現(xiàn)小型化和提高多功能材料的性能密度。

剛性狀態(tài)下的鹽凝膠特性。低聚合物含量與高聚合物含量的行為。圖片來源：Nature Materials，doi：10.1038 / s41563-019-0434-0

科學(xué)家通過將熔融的三水合乙酸鈉與聚(丙烯酸)的聚合物前體和乙酸與水的液體混合物混合來制備鹽凝膠。所得凝膠混合物保持透明，表明成分彼此可混溶。所得凝膠具有兩種固態(tài); 透明的柔軟狀態(tài)和不透明的剛性狀態(tài)，抵抗變形?？茖W(xué)家通過觸摸三水合乙酸鈉晶種，通過二次成核將鹽凝膠從其軟態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂詰B(tài)。在與晶種接觸時(shí)，立即發(fā)生成核以使結(jié)晶從整個(gè)材料的接觸點(diǎn)開始。

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，楊等人。使用木棍，尖端有少量細(xì)小的水晶灰塵。由于這種現(xiàn)象起源于樣品表面，因此它們呈現(xiàn)出雙重原因; 首先，由于表面積減小，成核的自由能成本在凝膠表面大大降低。此后，在接觸時(shí)，表面經(jīng)歷了大量的動(dòng)能。只要凝膠保持潤滑，科學(xué)家就可以防止不必要的結(jié)晶。楊等人。通過將鹽凝膠加熱到熔點(diǎn)以上，將鹽凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳洜顟B(tài)，并根據(jù)需要使用這些特性來固定凝膠的形狀。他們通過控制凝膠的聚合物含量來調(diào)節(jié)冷凍狀態(tài)的物理性質(zhì)，以承受變形并在應(yīng)力釋放時(shí)恢復(fù)其固定形狀。

研究小組使用壓痕測(cè)試了在相似環(huán)境下鹽凝膠系統(tǒng)的兩種狀態(tài)的機(jī)械行為。他們比較了熔化和冷凍的鹽凝膠，其中在冷凍狀態(tài)下形成可見的塑性變形，其在熔化后消失。使用測(cè)量楊等人。兩個(gè)州之間的僵硬度顯示出顯著變化。盡管冷凍的鹽凝膠是硬的，但與不含聚合物的冷凍鹽對(duì)照相比，它對(duì)于沒有開裂的壓痕而言更不易碎。

在對(duì)雜化材料進(jìn)行進(jìn)一步表征后，科學(xué)家們表明，當(dāng)混合物中存在更多的乙酸液體時(shí)，鹽凝膠變得更柔軟，彈性更小。當(dāng)它們反復(fù)凍結(jié)和解凍凝膠時(shí)，它們?cè)诰酆衔锞W(wǎng)絡(luò)中沒有觀察到持久的損壞，盡管材料在反復(fù)凍融循環(huán)時(shí)變得更硬。

然后，科學(xué)家們研究了鹽凝膠的結(jié)晶行為，并觀察到生長的晶體將聚合物網(wǎng)絡(luò)推開，而不會(huì)破壞或破壞網(wǎng)絡(luò)。鹽水合物表現(xiàn)出類似于水凝膠中水凍結(jié)的熱行為，其中添加更多的聚合物和稀釋劑導(dǎo)致更少的結(jié)晶。熱行為表明鹽凝膠具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，過冷度大于150℃。

sal-gel表現(xiàn)出軟到硬的過渡接觸，即時(shí)和強(qiáng)大的自粘性，機(jī)械能儲(chǔ)存以及形成智能結(jié)構(gòu)的能力。混合材料的主要優(yōu)點(diǎn)是其獨(dú)立的性質(zhì)，其容易地允許添加劑制造。作為一個(gè)原理論證，楊等人。通過使用注射器遞送未交聯(lián)的鹽凝膠溶液以使用紫外光源在實(shí)驗(yàn)室中交聯(lián)溶液，使用三維涂鴉制造合成海參。由此產(chǎn)生的印花在外觀和力學(xué)上非常類似于活海參，其中真皮在透明的柔軟和不透明的剛性狀態(tài)之間切換。

他們使用糖醇木糖醇作為PCM(相變材料)將sal凝膠的概念擴(kuò)展到其他材料。他們使用糖醇制備了一種具有雙固態(tài)行為的糖凝膠(sug凝膠)軟糖熊。當(dāng)科學(xué)家將構(gòu)造物過熱至120攝氏度以加速蒸發(fā)一周時(shí)，小熊的體積沒有明顯變化，仍然能夠保持雙態(tài)行為。

為了將sal-gel轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，Yang等人。應(yīng)解決與蒸發(fā)和敏感性相關(guān)的兩個(gè)技術(shù)問題，這些問題影響了材料的實(shí)施。通過在硅膠上涂上潤滑劑以優(yōu)化和提高其穩(wěn)定性，部分解決了這些問題，他們的目標(biāo)是在未來進(jìn)一步設(shè)計(jì)材料并完全解決限制。與具有單一固態(tài)的普通固體相比，研究團(tuán)隊(duì)還提高了二合一固體的設(shè)計(jì)和功能靈活性。

通過這種方式，F(xiàn)ut(Kuo)Yang及其同事通過形成聚(丙烯酸)的相容聚合??物網(wǎng)絡(luò)，在功能性液體 - 過冷熔鹽(三水醋酸鈉)中策略性地構(gòu)建了一個(gè)固體骨架，從而形成了混合材料sal-凝膠。在分子水平上材料的協(xié)同相互作用允許Yang等人。利用液體特性并探索其相變和亞穩(wěn)態(tài)。

混合構(gòu)造顯示出不尋常的材料行為以在兩種穩(wěn)定的固態(tài)之間切換，其具有可在相似的環(huán)境條件下共存的不同機(jī)械性質(zhì)。剛度狀態(tài)不需要連續(xù)刺激，為高級(jí)應(yīng)用提供了新功能。雖然目前的工作重點(diǎn)是過冷液體的轉(zhuǎn)化，但Yang等人。期望將方法擴(kuò)展到具有不同功能的其他液體，以使機(jī)械可切換材料的范圍多樣化。