维度网讯，麻省理工学院（MIT）化学家通过一种反直觉的方法——添加弱键使材料更强——可能将聚苯乙烯等日常塑料从脆性材料转变为防弹材料。

该研究由MIT化学系A. Thomas Geurtin讲座教授、科赫综合癌症研究所（Koch Institute for Integrative Cancer Research）成员Jeremiah Johnson领导。团队将名为力敏团（mechanophores）的新型交联分子掺入聚苯乙烯和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）橡胶等常见聚合物后，材料抗弹丸冲击性能得到提升。研究成果已发表在《自然》（Nature）期刊上，可能对汽车、消费电子等行业产生影响。

Johnson表示，这些交联剂可以大幅增加材料在弹丸冲击下吸收的能量，如果该方法能推广到其他聚合物，应用前景将非常广阔。

这项创新围绕一个看似矛盾的概念：通过引入薄弱点使材料更坚韧。MIT团队添加了力敏团——作为弱交联键分散在材料中——使聚合物在变形下能更有效地耗散能量。当受到弹丸撞击时，这些弱键在冲击点选择性断裂，为增强能量吸收打开通道。聚苯乙烯是一种硬质玻璃状聚合物，用于制造塑料容器、瓶子、杯子、一次性餐具和电子设备涂层。据MIT介绍，虽然有时标有回收代码6号，但聚苯乙烯难以回收，在美国很少收集再利用。

这项研究建立在Johnson及其在MIT和杜克大学（Duke University）同事2023年的一项研究基础上，该研究表明弱交联剂可以在缓慢撕裂条件下使聚合物更坚韧。随着裂纹开始在材料中扩展，力敏团分裂成两部分，有助于耗散能量并改变裂纹的走向，这意味着需要投入更多能量才能撕裂材料。

与之前专注于缓慢撕裂的工作不同，这项新研究侧重于开发基于力敏团的策略，以抵抗突然冲击引起的快速变形。研究人员将力敏团直接作为交联剂掺入常见聚合物中，然后使用激光诱导微弹丸冲击测试（LIPIT）进行验证。LIPIT系统由共同资深作者、Haslam and Dewey化学教授Keith Nelson发明。测试中，直径约10微米的微小二氧化硅微珠以约750米/秒的速度射向聚合物薄膜，通过测量粒子穿过薄膜前后的速度变化，计算材料吸收的能量。

实验表明，力敏团交联的聚苯乙烯从冲击中吸收的能量远高于普通聚苯乙烯。研究人员将这种行为归因于力和绝热加热驱动的局部热固性到热塑性的转变，其中选择性力敏团断裂促进了冲击点的粘塑性变形，同时保持了周围区域的网络完整性。研究人员表示，这一策略在玻璃状聚苯乙烯和橡胶状苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物中均显示出通用性。这些结果确立了力敏团交联作为将商品聚合物转化为抗冲击材料的设计原则，并为聚合物力化学与极端应变率材料行为的交叉领域开辟了方向。

通过与MIT、普渡大学（Purdue University）、西北大学（Northwestern University）和杜克大学的研究人员合作实验和模拟，团队发现了力敏团如何增强抗冲击性。当高速粒子撞击材料时，撞击点温度升高到足以形成移动区域。在该区域，力敏团键在力的作用下选择性断裂，打开受控通道，更好地吸收冲击能量，同时使撞击点以外的区域相对不受影响且保持稳定。亚利桑那州立大学（Arizona State University）分子科学学院副教授Yoan Simon表示，这种方法能以最少的化学手段将这种特性赋予"现成的"商品塑料，包括玻璃态和弹性体，具有相当的可扩展性和相关性。

研究人员已成功将力敏团插入SBS橡胶（用于鞋底、沥青和屋顶材料）中，并观察到类似效果。他们正在探索该方法是否可用于丁苯橡胶（轮胎的主要成分之一）。如果成功，该技术可生产更耐用的轮胎，并减少轮胎与路面接触时产生的微塑料——这部分微塑料占环境中微塑料的至少10%。团队还在研究该方法是否适用于乳胶等其他聚合物类型。美国国家科学基金会（NSF）化学创新中心项目主任Katharine Covert表示，含吸能力敏团的材料有朝一日可能帮助防止车辆轮胎在高速公路上爆胎，或为个人电子设备提供更具保护性的外壳。

该研究由国家科学基金会分子优化网络化学中心（Center for the Chemistry of Molecularly Optimized Networks）、美国陆军研究办公室（U.S. Army Research Office）通过MIT士兵纳米技术研究所（Institute for Soldier Nanotechnologies）、施密特科学博士后奖学金（Schmidt Science Postdoctoral Fellowship）以及美国空军科学研究办公室（U.S. Air Force Office of Scientific Research）资助。前MIT博士后Zhen Sang和Suong T. Nguyen以及MIT研究生Kwangwook Ko是论文的第一作者。

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