受到骨头的启发新型适应性材料通过振动得到增强

骨骼不仅仅是固定的材料，而是一组动态的结构，可以根据它们必须承受的载荷来调整其质量和强度。长期以来，开发这种自适应材料一直是科学家们的梦想。如今，芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的科学家们首次开发出了一种凝胶材料，这种材料在受到振动时会增强强度。

科学家不仅能够通过振动使材料强度提高66倍，而且还能够仅增强暴露于运动的区域。这种特异性可能会导致新的粘合剂和更好的将植入物整合到体内的方法。

结果发表在2月22日的“自然材料”杂志上。

Assoc说：“振动时，其他所有材料都会变弱。” 负责这项研究的Aaron Esser-Kahn教授。“这是我们第一次逆转这一过程，表明一种材料可以通过机械振动来增强自身。”

在材料内形成第二个网络

当Esser-Kahn和他的小组开始思考如何开发自适应材料时，他们似乎希望利用压电效应，压电效应使某些材料具有响应机械应力而产生电荷的能力。他们提出，这种电荷可以激发材料内部的反应并增强它。

但是，证明对机械应力做出正确的响应非常困难。该团队测试了数十种不同的化学物质，然后才发现它们起作用：一种混合有硫醇-乙烯反应器和氧化锌压电颗粒的聚合物凝胶。

当材料振动时，颗粒会传导能量并产生硫醇-烯反应，这会导致材料中的组分发生交联。这种交联实质上在材料内部形成了第二个网络，从而加强了该网络。

尽管该材料起初是柔软的胶原蛋白材料，但随着振动的增加，该材料变得越来越坚固。该团队能够将材料的强度提高到原始强度的66倍，最终得到的材料接近骨骼内部的刚度。

Esser-Kahn说：“就像骨头一样，这种材料增强了我们投入其中的力量。” 不仅如此，这种材料不仅在整个过程中都得到了增强，而且在某些受到较高压力的特定领域也有选择地进行了增强。

创造与人体融为一体的新型粘合剂

这种选择性的加固可能会导致材料可以选择性地变硬，这是一种设计结构的新方法。也许它可以成为建筑物的一部分，随着年龄的增长，它会变得越来越坚固，或者被用来将各种材料粘附在飞机上。

Esser-Kahn说：“胶粘剂可能会受到很大的影响。” “胶粘剂几乎总是材料失效的关键点。这可能导致粘附性和固化性更好的专用胶粘剂。”

该小组正在研究如何使用这种材料将人造材料更好地整合到人体中，例如在髋关节植入物中。

Esser-Kahn说：“没有两个人是相似的，而这样的材料就是我们开始制造与生物学中相同的材料的方式。”

该论文的其他作者包括博士后研究员赵望，王军和赛卡特·曼纳。研究生豪尔赫·阿亚尔扎(Jorge Ayarza);前研究生研究员蒂姆·史蒂夫斯(Tim Steeves);和西北大学的胡子英。

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