當電話掉落在人行道上時，您不禁會期待那令人不安的塑料破裂聲音。在公路上滑行可能會撕裂汽車輪胎，將微小的有毒橡膠顆粒釋放到空氣中。材料科學家長期以來一直試圖通過使塑料變得更硬、更剛性和更堅韌來防止這些日常災難。然而，麻省理工學院的化學家團隊已經找到了一種方法，通過工程設計使塑料變得更強韌，甚至能夠在破損中獲得增強。研究人員透露，在常見的聚合物中添加弱化的化學鍵可以提高其對高速衝擊的抵抗力。
有趣的是，這些犧牲性鍵在受到高速物體撞擊時，會在衝擊位置選擇性地斷裂，形成吸收和消散破壞性能量的通道，同時保持周圍結構的穩定性。麻省理工學院化學教授兼科赫綜合癌症研究所成員耶利米亞·約翰遜（Jeremiah Johnson）表示：「這些交聯劑能顯著提高材料在彈道衝擊下吸收的能量。我們可以想像許多應用，尤其是如果這可以推廣到其他聚合物。」
新型聚合物的抗衝擊性能顯著提升
這項新發展建立在 2023 年的一項研究之上，該研究使用稱為機械基團的弱化學鍵來防止聚合物緩慢撕裂。研究人員現在已經調整了這一策略，以抵抗快速、突發的衝擊。在如聚苯乙烯這樣的材料中分佈這些弱連接，當裂縫開始擴展時，機械基團會分裂成兩個，成功地重定向裂縫並消散破壞性能量。這一犧牲機制迫使衝擊需要耗費更多的能量來穿透材料，從而保護更強的承載聚合物鍵在快速變形過程中不會失效。
研究人員使用一種名為激光誘導微彈撞擊測試（LIPIT）的專用系統，向經過改良的塑料薄膜發射微小的二氧化矽顆粒。這一技術以每秒 750 米（超過 1,600 英里每小時）的超音速速度發射微小的二氧化矽顆粒。
標準的聚苯乙烯在這種應力下輕易地破裂或穿透。然而，摻入新型弱化學分子的塑料卻輕鬆吸收了強烈的衝擊。資深作者基斯·尼爾森（Keith Nelson）表示：「我們最初開發這種方法是為了研究微粒對大量聚合物樣品的衝擊和穿透，我們會監測粒子在約 100 微米材料中的傳播，並在衝擊後分析聚合物形態如何改變。」「我們的新測量顯示，在薄層穿透前後，粒子的速度能提取出多少額外的信息。
它們還顯示了在粒子衝擊期間及之後的深刻變形模式。」
新技術有望應用於多種領域
這種高速測試能夠模擬現實世界的力量，例如電話掉落或塑料物體被撞擊的情形。實驗成功顯示，交聯了機械基團的聚苯乙烯吸收的衝擊能量比未改良的聚苯乙烯更多。研究發現，高速衝擊會在材料內部局部加熱，形成一個「可移動區域」。在這個區域內，機械基團的鍵在受力下選擇性地斷裂，吸收能量，同時保持周圍區域的穩定性。團隊成功地在苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）橡膠中複製了這種抗衝擊效果，這種橡膠通常用於鞋底、瀝青和屋頂，並且目前正在探索其在車輛輪胎中的應用。
如果成功，這項技術將能夠生產出更耐用、不易爆胎的輪胎以及更具保護性的電子設備外殼。此外，它還能通過減少輪胎磨損來減少環境廢物，因為輪胎磨損目前佔全球微塑料的至少 10%。這些研究結果已於 6 月 3 日發表在《自然》期刊上。
