敲不碎的玻璃，拥有了塑料的韧性

图片来源：托马斯·福克斯（Thomas Fuchs） 撰文｜罗希尼·苏布拉马尼亚姆（Rohini Subrahmanyam）
窗玻璃和大多数塑料都属于玻璃态材料。当它们从液态冷却时，并不会像水结冰那样，凝固成原子排列整齐的晶体；相反， 它们会形成一种无定形体，在宏观上表现为固体，内部原子排列则如液体般呈长程无序、短程有序的状态 。此前，科学家一直认为玻璃态物质要么像窗玻璃一样具有可塑性，要么像塑料一样具有抗冲击性。
然而，荷兰瓦赫宁根大学的物理化学家贾斯珀·范德古赫特（Jasper van der Gucht，这项研究的通讯作者）带领团队合成出了一种 兼具可塑性和抗冲击性的新型玻璃态材料 ，并将它命名为“ 复合离聚物 ”（compleximers，一类离子交联聚合物），还揭示了背后的机制。相关研究于近期发表在《自然·通讯》（ Nature Communications ）上。
研究人员表示，这种物质在理论上本不应该存在，如今却已有少量（几克）存放在他们的实验室中。未来，这种将看似矛盾的属性融合在一起的新材料，或许可以让头盔等坚固防护装备的制造和维修变得更加简便。
数十年来，科学家通过实验观察发现，玻璃态材料的熔化速度越慢，所能承受的冲击力往往就越小。熔化速度较慢的窗玻璃和熔化速度较快的塑料都是如此： 窗玻璃的物态变化过程缓慢，但极易碎裂；塑料的熔化和固化都很快，却更耐冲击 。
然而，范德古赫特和同事发现，复合离聚物完全违背了这一规律。其中的关键可能在于材料结构本身：这种聚合物的长分子链是通过一种作用范围更大的化学键交联在一起的。
起初，研究人员创造复合离聚物的目的，是寻找一种易于回收利用的材料以替代热固性塑料（thermoset plastics）。 热固性塑料由聚合物链组成，链与链之间通过极难断裂的化学键紧密结合 。这赋予了这类塑料优异的结构稳定性，但也导致它们难以回收利用。
为此，在构建新材料时，研究人员引入了带电分子，使聚合物链通过离子键交联在一起。离子键是带相反电荷的离子（阴离子和阳离子）通过静电作用形成的化学键。同时，他们还引入了疏水性化合物，以防止聚合物链在水中降解。
研究团队表示，这些带电分子之间的离子相互作用属于长程离子相互作用，作用距离比此前化学键更远，或许有助于复合离聚物在受热时保持结构紧凑，而不是迅速膨胀并立即熔化。
美国芝加哥大学的化学工程师马修·蒂雷尔（Matthew Tirrell，未参与这项研究）表示， 这种长程离子相互作用可以改善玻璃态材料的力学性能，并使材料更易于加工 。
熔化速度缓慢还意味着，相比于热固性塑料，由复合离聚物制成的物体更容易修复。“只用热风枪对着它加热，就能修复刮痕或裂纹，”范德古赫特说。
此外，范德古赫特和蒂雷尔都认为，这种打破常规的材料可以让物理学家更深入地理解玻璃的形成过程， 即玻璃态转变（glass transition）现象 。范德古赫特指出，这种使玻璃态材料呈现反常熔化特性的长程相互作用，“可以帮助理论学家从更具普适性的层面解释玻璃态转变现象。”

本文选自《环球科学》8月刊“前沿”栏目。
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