有一种“果冻”，大象踩一脚也不会碎

假如想做果冻，最主要的原材料就是水。一大盆水，加一点点果冻粉，即可变成一大盆果冻。

只是，这样做出的果冻十分脆弱，随意踩上几脚就会碎得不成样子。

而现在，剑桥大学的科学家们开发出了一种“超级果冻”，虽然主要成分同样是水，但被汽车反复轧过 10 多次都不会碎。不止不碎，还能在短时间内恢复原本的形状。

研究团队把这项成果发表在了《自然・材料》杂志上。

快到桶里来

这“超级果冻”是一种水凝胶，80% 的成分都是水。不过，能让水变得无比强韧的秘诀，就不是果冻粉了。科学家用的是一类名为葫芦脲（cucurbituril）的物质。

葫芦脲是桶状的分子，因为形似葫芦和南瓜，两者又都来自葫芦科（Cucurbitaceae），才得了个贴切的名字。

而这些“桶”，都是由一个个甘脲单元连接而成，5 个甘脲单元可以连成葫芦 [5] 脲，6 个甘脲单元连成葫芦 [6] 脲。但不论是用几个甘脲单元组成的桶，中间都有空腔，可以用来装东西。比如，这次研究团队用的葫芦 [8] 脲，是能盛放两个客体分子的桶。

当两位“客人”进了桶，它们所在的链状聚合物就会相互交联起来，形成一张大网，名叫“超分子聚合物网络”（SPN）。因此，负责织网的葫芦 [8] 脲也被称为一种“交联剂”。

水分子被包裹在上图这样的网络当中，就可以形成水凝胶了。

不过，水凝胶究竟会有怎样的属性，还得看桶里的客体分子是什么。多年来，科学家们一直喜欢用葫芦脲来探索新的材料，正是因为葫芦脲能结合的客体多种多样。放入不同的客体，就会形成不同的水凝胶，比如可拉伸的水凝胶，能迅速自我修复的水凝胶等等。

大象踩过也不会有事

这一次，剑桥大学的研究团队选择的第一客体是全氟苯基，第二客体则有多个候选（都是苯基的取代物）。

这些客体分子并不会一直待在桶里不走。它们和主体分子葫芦 [8] 脲之间的化学反应是可逆的，处在一种动态平衡当中。换句话说，“客人”一直有来有走。

问题在于，“客人”走得是快还是慢。从前科学家们用同种方法做出的水凝胶中，客体分子大多解离比较快，得到的材质柔软可拉伸。但现在，剑桥团队想做“压不坏”的水凝胶，就要选择解离慢一些的客体分子：结合快，解离慢，那张交联的大网，便能维持一个紧密连接的结构。

这次被选中的客体，与葫芦脲（主体）相遇后，确实带来了科学家期盼的属性：它们在桶里待的时间比通常的客体分子更久。而由此形成的水凝胶，会有更结实的结构来抵御猛烈的压缩。

像上文提到的那样，团队为葫芦脲选择的第一客体只有一种，第二客体则尝试了多种（压缩性能由弱到强）。其中一种第二客体登场时，形成的水凝胶足以承受高达 1 亿帕斯卡的强压。在这种情况下，水凝胶被压缩了 93%，薄到快要从照片里隐身的地步，却没有发生断裂。而且重压消失后，它还能在 2 分钟内恢复到原来的形状。

如果你想知道 1 亿帕斯卡是什么概念，那相当于在人类小拇指指甲（1 平方厘米）上，施加超过 1000 公斤的重压。或者再讲得形象些，如果有只大象一脚踩过一张邮票大小的水凝胶，同时另外三脚悬空，那片水凝胶也可安然无恙。

既然有了“超级果冻”，只压扁它一次显然不够，还要持续蹂躏。科学家让重达 1200 公斤的汽车，用其中一只车轮（~300 公斤）压住 70 × 50 × 6 毫米的水凝胶上 1 分钟不动，后又连续碾过它 16 次。结果，水凝胶依然不负众望恢复原状。

这样的材料，应当很柔软吧？但团队介绍，它是一种坚硬的水凝胶，也是已知第一种玻璃状水凝胶。领导这项研究的奥伦谢尔曼（Oren Scherman）教授也说，多年来人们造的都是橡胶状的水凝胶，那只是一半图景；而现在，从橡胶状到玻璃状之间，各种不同压缩性能水凝胶都能制造，整幅图画才算圆满。

这有什么用呢？

首先，科学家用“超级果冻”做了一枚压力传感器。拜优异的压缩性能所赐，这枚传感器不仅测量范围宽广（上至 2.5MPa），而且十分灵敏，放在脚底的话可以实时区分站立、行走、跳跃这几种动作。

这项小小的演示实验说明，“超级果冻”在生物电子领域展开应用是完全有可能的。

而除了适合做传感器，那种承受极大压强而不断裂的特性，可能还有其他用途。它的抗压强度（compressive strength）比起牛关节软骨，已高出至少一个数量级。因此，在人类软骨受伤退化时，“超级果冻”或许能成为一种替换材料。

科学家也希望有朝一日，这类新型材料在人造肌肉、义肢或是软体机器人身上，能有用武之地。

但，不可食用。

原论文：

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01124-x

参考链接：

• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.5b00341

• https://www.eurekalert.org/news-releases/935677

• https://www.newscientist.com/article/2299038-soft-yet-strong-gel-keeps-its-shape-after-being-run-over-by-a-car/

本文来自微信公众号：环球科学 （ID：huanqiukexue），撰文：栗子，审校：Clefable

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