英國劍橋大學研究者研發了一種新材料：它的外觀和質感像果凍一樣柔軟；但是，在壓縮時就像一塊超硬的防碎玻璃，非常堅固。

如果有大象那么重的東西放在上面，它也能在之后恢復到原來的形狀。

實際上，這種材料80%的成分是水。而其非水部分是一個聚合物網絡，通過可逆的開關相互作用連接在一起，控制材料的機械性能。這是首次將如此顯著的抗壓性融入軟材料中。

這種新材料具有廣泛的潛在應用，諸如軟機器人、生物電子學，甚至生物醫學用途的軟骨替代品等。

相關論文于當地時間11月24日發表在國際知名期刊《自然-材料》，標題為“Highly compressible glass-like supramolecular polymer networks”（高度可壓縮類玻璃超分子聚合物網絡）。

一種材料的性質——軟還是硬、脆還是韌性強，都取決于它們的分子結構。

具有彈性的橡膠狀水凝膠——超分子聚合物網絡 (Supramolecular polymer networks ，簡稱SPNs)性能獨特，如高韌性、非常強的拉伸性、快速自愈、增強的阻尼能力。

“超分子聚合物網絡是一大類通過非共價相互作用交聯的聚合物材料。與傳統的、脆弱的共價交聯網絡相比，其通常具有卓越的機械性能，引起了超分子聚合物化學、材料科學和生物醫學工程領域研究人員的極大興趣。”領導此項研究的劍橋大學教授Oren A. Scherman對澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者表示。

雖然關于超分子聚合物網絡的研究已經取得了可喜的進展，但尚未滿足某些苛刻應用的材料要求。一個主要挑戰是能承受極高的壓縮，并能在短時間自修復。

“自 2010 年以來，我們一直在使用葫蘆脲介導的主客體相互作用作為非共價交聯來設計和制造具有可調粘彈性、高拉伸性和韌性以及室溫自修復的橡膠狀 SPN。”Scherman表示。

“葫蘆脲”是一種交聯分子，它將兩個客體分子固定在其空腔中——就像一個分子手銬（molecular handcuff）。研究人員設計的客體分子更喜歡在空腔內停留比正常時間更長的時間，這使聚合物網絡保持緊密連接，使其能夠承受壓縮。

論文作者之一Jade McCune 博士表示，“水凝膠能夠承受壓縮的方式令人驚訝，它與我們在水凝膠中看到的任何東西都不一樣……我們還發現，通過簡單地改變手銬內客體分子的化學結構，可以很容易控制抗壓強度。”

為了制造類似玻璃的水凝膠，該研究團隊為“手銬”選擇了特定的客體分子。改變手銬內客體分子的分子結構使材料的動力學顯著“減慢”，最終水凝膠的機械性能從橡膠狀到玻璃狀。

Scherman表示，人們花了數年時間制造類似橡膠的水凝膠，但只實現了超分子聚合物網絡的整體圖景的一半。而他們這些研究創造了一類新材料，涵蓋了從類橡膠到類玻璃的整個材料特性范圍，完成了整個圖景。

據介紹，這種新材料具有高達 100 MPa 的超高抗壓強度，并能在極短的時間內快速自我恢復（<120 秒）。即使以 93% 的應變壓縮、進行12次的壓縮/松弛循環時也不會斷裂。

為了強調這種材料的可壓縮性，研究人員準備了一個體積為70×50×6（毫米）的材料樣品用于汽車壓縮測試。樣品放置在兩塊銅板之間，以避免任何滑動或表面污染，總重量為1200公斤的四輪汽車在樣品頂部保持1分鐘。隨后，汽車反復壓實樣品16次，由于該材料能完全自我恢復，沒有觀察到斷裂或不可逆變形。

使用1200kg的四輪汽車對70(L)×50(W)×6(T)mm長方體樣品進行縮測試的照片

研究人員使用這種材料制作了一個水凝膠壓力傳感器，其工作壓力范圍高達2.5MPa。該傳感器表現出相當大的靈敏度。將該傳感器結合在人腳底下，成功實現了對行走、跳躍、站立三種運動的實時監測。

“據我們所知，這是第一次制造玻璃狀水凝膠。我們不僅在教科書中寫了一些新的東西，這真的很令人興奮，而且我們正在開啟高性能軟材料領域的新篇章。”論文第一作者Zehuan Huang表示。

目前，Scherman的實驗室的研究人員正在與工程和材料科學專家合作，進一步開發這些玻璃狀材料，用于生物醫學和生物電子應用。

Scherman表示，“這種新型材料在包括軟骨置換、電子皮膚、假肢手臂/腿、可穿戴設備以及軟機器人在內的廣泛應用中具有重要意義。”