Probing the mysteries of a surprisingly tough hydrogel
http://www.physorg.com/news124463002.html
http://www.nist.gov/public_affairs/techbeat/tbx2008_0311_hydrogel.htm
March 11, 2008
單在美國就有 4600 萬人遭受關節炎之苦。在最糟的情況下需要進行疼痛的外科手術以鑽洞並強化關節。現在 NIST 的研究者正調查一種非常柔軟然而卻很強健的合成軟骨替代物，希望能為關節炎受害者帶來某些緩解。
一篇在 American Physical Society 三月會議上進行簡報的論文中，NIST 科學家與來自於日本北海道大學的同僚報告了一種凝膠，它雖然具有凝膠的柔軟性，不過當變形超過 1000% 時卻不會破裂。透過 NIST 的中子研究設施來顯示凝膠中的分子如何承受如此大規模的變形，該研究團隊希望讓具有更好物理特性的材料設計會更加容易。
稱為雙網路水凝膠（double-network hydrogels），這些具有不可思議強度的新材料，在 2003 年首度由北海道的研究者開發出來時，是種幸運的驚喜。大部分按照慣例製備的水凝膠 -- 這種材料有 80% - 90% 的水被固定在聚合物網路中 -- 像凝膠一樣很容易裂開。這個日本團隊僥倖發現添加第二種聚合物到凝膠中，能使它們變得如此堅韌，可與軟骨匹敵 -- 軟骨這種組織能禁得起數百磅壓力的摧殘。一種易碎水凝膠與柔軟聚合物的結合，導致一種驚人的堅韌材料誕生。
初步研究利用 NIST 中子散射技術來探索凝膠的結構，發現不尋常的結果。這二種聚合物（譯註：這種材料是將聚丙烯醯胺 (PAAm) 添加至一種基於 poly(2-acrylamide,2-methyl,1-propanesulfonicacid) (PAMPS) 的凝膠中製成）會彼此吸引 -- 不管一項事實：一種聚合物帶負電，另一種則是中性 -- 而且在它們被扯開前能禁得起某些力量。這種聚合物對所能忍受的外力總量會被擴大，因為沿著每一條長鏈上都有許多接觸。在長的附加鏈與凝膠網路之間的壓力轉移效力形成使 DN-gels 變堅韌機制的基石。
一篇最新論文，討論使一種分子層級變堅韌的機制，基於中子散射測量而提出，那收集（詳盡的）這二種聚合物在凝膠變形時如何起作用。在變形之下，這二種聚合物將它們自己安排成一種交替的、井然有序的週期性樣式，那大約每 2 微米重複一次。這種週期性結構比經常可在變形下分子見到的要大上數百倍，而且其優雅的構成消除了大量的變形能量，使凝膠穩定免於碎裂。
確定分子結構將使得下一代水膠有更精確的設計，能同時具備堅韌與堅固。真實的軟骨經歷一種每日不變的破壞，並在每日壓力之下再生；研究者希望一種好的合成軟骨於替換之前，能在身體的僵化下忍受年復一年的考驗。
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