易碎才不易碎
"材料科學新星：能自我修復的水膠。 "
撰文／卡司塔維奇（Davide Castelvecchi）
翻譯／洪艾彊
要使東西不易碎的秘訣，在於使它碎得澈底一點，至少在微觀尺度下要如此。像玻璃一樣脆的材料破碎時，只有沿著碎片斷面的分子參與，碎片內部幾乎不受影響。為了降低脆性，研究人員設計新材料時，應該要使應力可以傳播到斷面之下，才能有效阻止裂紋蔓延，讓物體從一剛開始就不容易斷裂。
美國哈佛大學的鎖志剛和合作者根據這個原理，發展出一種稱為水膠（hydrogel）的材料，成份是水和由長鏈高分子聚合物組成的網絡結構，後者類似蓋房子時使用的鷹架。鎖志剛的水膠具有橡膠特性，拉伸至原來的20倍也不會斷裂。相比之下，鎖志剛說：「一般的橡皮筋只能撐到六倍長。」這種新材料同時還具備顯著的韌性，能夠承受壓力、張力或衝擊而不斷裂。要弄斷這種水膠，所需的能量大約是類似材料的10倍。
以前的水膠比較缺乏韌性，容易像豆腐一樣碎開。鎖志剛設計的秘訣，在於水膠的鷹架包含了兩種不同的高分子。第一種來自藻類的碳水化合物長鏈，是由兩條單鏈分子藉著帶正電的鈣離子，像拉鍊般配對組合而成。
次要的鷹架材料則是藉由強力的鍵結搭建起來的合成高分子網絡。當這個新材料受到外力衝擊時，能量主要消耗在破壞藻類衍生的拉鍊結構，使鈣離子重新溶解到水中，次要的網絡會把剩餘的應力從裂紋表面分散到廣大的材料內部。一旦應力消失，鈣離子受到藻類鏈上的負電吸引，便自我修復，長鏈之間再度變成拉鍊。
雖然還不夠完備，但這個新的水膠材料所具備的強大韌性，已經足以應用在組織工程和義肢上。鎖志剛說：「今天，如果你的軟骨受損，是很難找到替代品的。」任何人工替代品都需要達到天然物的強韌。鎖志剛和合作者的這份工作，發表在9月6日的《自然》。
日本北海道大學的龔劍萍說，要把水膠打破所需的能量「非常可觀」，她於2003年的工作開啟了雙網絡水膠的研究。然而龔劍萍也指出，這個新材料自我修復的程度還不夠完整，而且需要幾個小時稍嫌太慢。她認為要能實際應用，材料必須在更短時間內達到百分之百的修復。
