7 月 2 日，美國斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系鮑哲南課題組博士后研究員鄭雨晴等以第一作者的身份在 Science 上發(fā)表了與“全光刻無刻蝕工藝”相關(guān)的研究成果。不到三個月，鮑哲南課題組再發(fā)表新的重大研究成果。

三個月內(nèi)連發(fā)2篇論文，鮑哲南課題組新發(fā)現(xiàn)可承受5000倍自重的人造肌肉-肽度TIMEDOO圖｜鮑哲南（來源：斯坦福大學(xué)）

鮑哲南課題組本次發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“人造肌肉”的高性能形狀記憶聚合物（Shape memory polymers，SMPs)，該聚合物可以承擔(dān)自身 5000 倍的重量，這種高能密度存儲材料具有大應(yīng)變和無遲滯形態(tài)恢復(fù)的優(yōu)越性能。在軟體機(jī)器人、可開展鉸鏈、密封劑和智能生物醫(yī)學(xué)縫合等新興領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

三個月內(nèi)連發(fā)2篇論文，鮑哲南課題組新發(fā)現(xiàn)可承受5000倍自重的人造肌肉-肽度TIMEDOO圖｜人造肌肉（來源：ACS Central Science）

9 月 8 日，相關(guān)論文以《利用應(yīng)變誘導(dǎo)超分子納米結(jié)構(gòu)的高能量密度形狀記憶聚合物》（High Energy Density Shape Memory Polymers Using Strain-Induced Supramolecular Nanostructures）為題發(fā)表在 ACS Central Science 上，由克里斯托弗·庫珀（Christopher B. Cooper）擔(dān)任第一作者，鮑哲南擔(dān)任通訊作者。

該研究主要揭示了應(yīng)變誘導(dǎo)超分子納米結(jié)構(gòu)形成人造肌肉的方法，聚合物鏈發(fā)生應(yīng)變后會整齊地排列，拉伸鏈呈高度伸長狀態(tài)。

加熱條件下動態(tài)鍵發(fā)生斷裂，拉升鏈?zhǔn)湛s呈無序排列狀態(tài)，在這種狀態(tài)下聚合物鏈儲存的熵能高達(dá) 17.9 J/g。這比以往形狀記憶聚合物的熵能高 6 倍，為實現(xiàn)高能量密度形狀記憶聚合物提供了新的方法。

三個月內(nèi)連發(fā)2篇論文，鮑哲南課題組新發(fā)現(xiàn)可承受5000倍自重的人造肌肉-肽度TIMEDOO圖｜超分子結(jié)構(gòu)在SMPs中實現(xiàn)高能量密度（來源：ACS Central Science）

形狀記憶聚合物在形狀復(fù)原、延展性和工藝制造等方面也具有顯著優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在以下兩個方面，一是均勻、周期性納米纖維垂直應(yīng)變形態(tài)，二是長纖維與帶狀納米纖維鄰近區(qū)域之間出現(xiàn)的應(yīng)變平行。

在未來應(yīng)用場景方面，形狀記憶聚合物與 3D 打印等技術(shù)相結(jié)合有巨大的應(yīng)用空間。但是，形狀記憶聚合物在能量密度方面的缺陷限制了其在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用，為了突破這一難題，科學(xué)家對形狀記憶聚合物進(jìn)行了外部刺激。

三個月內(nèi)連發(fā)2篇論文，鮑哲南課題組新發(fā)現(xiàn)可承受5000倍自重的人造肌肉-肽度TIMEDOO圖｜3D 打印相關(guān)應(yīng)用（來源：Pixabay）

PDMs 結(jié)構(gòu)可跨越 5 個數(shù)量級，在宏觀尺度上可形成均勻薄膜

在光或熱等外部因素的刺激下，形狀記憶聚合物的始末狀態(tài)變得可逆。然而，要使其同時兼?zhèn)涓邚?qiáng)度、大范圍伸縮的恢復(fù)應(yīng)力仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。
該團(tuán)隊對先前描述的 PDMs 胺端基大單體合成進(jìn)行了修飾，通過一系列化學(xué)反應(yīng)將得到的混合物在室溫下攪拌 72h，直到溶液凝膠并部分沉淀。然后，將合成的聚合物在甲醇中淬火，加入過量的己烷完全沉淀，同時讓回收的聚合物在 90℃ 的真空中蒸發(fā) 2h。

為了更好地理解柔性骨干聚合物聚丙烯乙二醇和強(qiáng)定向氫鍵單元甲基雙苯基尿素（PPG- MPU）形狀記憶性能分子和微觀結(jié)構(gòu)來源，該團(tuán)隊收集了聚合物塊體薄膜在 0% 和 500% 應(yīng)變下的二維透射圖像。

應(yīng)變薄膜表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和顯著的各向異性散射模式，與定向單軸變形聚乙烯的散射模式類似，高強(qiáng)度區(qū)域與拉伸方向呈現(xiàn)一致，這表明周期結(jié)構(gòu)垂直于應(yīng)變方向。

三個月內(nèi)連發(fā)2篇論文，鮑哲南課題組新發(fā)現(xiàn)可承受5000倍自重的人造肌肉-肽度TIMEDOO圖｜應(yīng)變誘導(dǎo)的超分子納米結(jié)構(gòu)（來源：ACS Central Science）

上述結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)顯示了一個清晰的層次結(jié)構(gòu)，沿著應(yīng)變軸產(chǎn)生的長纖維由直徑約為 8nm 的帶狀纖維組成，這種纖維被無定形連接域隔開，每一種納米纖維都由氫鍵尿素基團(tuán)排列成棒狀。通過拉伸的 PPG 連接，由此產(chǎn)生的層次結(jié)構(gòu)跨越 5 個數(shù)量級，并在宏觀尺度上形成均勻的薄膜。

聚合物的升力可達(dá)其自重的 5000 倍

最后，該團(tuán)隊在各種演示中展示了 PPG-MPU 在強(qiáng)、快、軟及單向驅(qū)動器的潛力。動態(tài)實驗展示了人造肌肉預(yù)緊和扭曲的 PPG-MPU 薄膜在熱風(fēng)槍加熱之后的狀態(tài)?？梢杂^察到，PPG-MPU 薄膜在不到1秒時間內(nèi)即可旋轉(zhuǎn)四分之一的角度，聚合物的升力可達(dá)到其自身重量的 5000 倍，輸出的功率為 2w/g。

該實驗還展示了另一種可將 70g 重量提高了 5.1cm 性能，輸出功輸出為 1.4 J/g 的預(yù)緊 PPG-MPU 膜，如果將 PPG-MPU 膜在放置在加熱板上，可以快速、無負(fù)載形狀恢復(fù)。

三個月內(nèi)連發(fā)2篇論文，鮑哲南課題組新發(fā)現(xiàn)可承受5000倍自重的人造肌肉-肽度TIMEDOO圖｜SMP 拉升 70 克重量實驗（來源：ACS Central Science）

該實驗證明，SMPs 這種高性能形狀記憶聚合物的能量密度可以達(dá)到 17.9 J/g，其形狀固定度和回收率均超過 90%。SMPs 具備成本低、可溶性較好和密度小等特性，與 PPG-MPU 記憶特性及高能密度相結(jié)合，揭示了應(yīng)變誘導(dǎo)超分子結(jié)構(gòu)在高能量密度單向形狀記憶聚合物的巨大應(yīng)用潛力。

來源：麻省理工科技評論