科学家通过“计算化学”开发出新型高聚材料

近日，美国IBM研究所与加州大学伯克利分校、荷兰埃因霍芬理工大学等单位科学家合作，通过“计算化学”将实验室实验与高精计算相结合，模拟新材料的形成反应，开发出两种能循环利用的新型高聚材料，有望给运输、航空、微电子等行业的加工制造带来变革。

据物理学家组织网近日报道，这些新材料首先具有抗开裂性质，强度高于骨骼，还能变形自愈，所有材料能完全恢复成最初原料的样子。而且，它还能“变身”成新的聚合结构，强度再增加50%，成为另一种超强轻质材料。相关论文发表在当天的《科学》杂志上。

航空材料需要有良好的抗开裂性，但目前的聚合材料抗开裂能力有限，而且很难循环利用，不能重铸、自愈或热分解，废弃材料只能用废渣填埋法处理。研究小组发现的是一个新材料“家族”，其属性可按照需要广泛调节，也为探索研究和应用开发带来更多机会。他们开发出的两种新型材料各具特色，包括高硬度、耐溶解、开裂自愈强化等。

这些新型聚合材料原料廉价，通过冷凝反应大分子连在一起，小分子形成水或乙醇。反应简单而容易调节。在250℃时，聚合物通过共价键重组，除去溶剂变得比骨骼还强，但缺点是脆而易碎。它在高pH值水中分毫无损，但在低pH值水中会选择性分解，因此适当条件下，能可逆地变成最初材料形式，重新形成新的聚合结构。而且，把聚合物与碳纳米管或其他强化填充剂混合，高温加热后能变得更强，拥有类似于金属的性质，用在飞机、汽车上。

在室温环境下，能形成另一种像弹力胶似的聚合材料，溶剂嵌在聚合网络中，不仅强度比大部分聚合材料更高，而且仍保持柔韧性，就像橡胶带。如果开裂，把碎片拼在一起，能在几秒钟内重新形成化学键而连成一个整体。这种性质让它能在中性环境实现循环利用，在需要可逆重组的应用领域大显身手。

研究人员指出，这种非传统的方法将带来许多前所未有的新材料，加速新材料的开发过程。 “虽然高性能材料研究已取得巨大进步，但目前设计的聚合材料还缺乏许多基本性质。新材料创新在应对全球挑战、开发新产品等方面非常关键。”IBM研究所先进有机材料科学家詹姆斯·海德里克说，“现在，我们能通过计算来预测分子在化学反应中会怎样，制造出新的聚合结构，帮助推动新材料的开发，满足交通运输、微电子或先进制造行业中对复杂先进材料的需求。”