从手机壳到导弹：创新分子让材料更耐用

聚合物（包括各种形式的塑料）由许多较小的分子粘合而成。这种粘合使它们特别坚固，是用于保护各种物品中易碎部件的理想产品。然而，随着时间的推移、使用和暴露在不同的环境中，所有材料都会开始老化。

埃里克-纳格尔展示他在桑迪亚国家实验室的团队开发的最新一批材料，他们正在努力复制一种改变聚合物传统行为的分子。图片来源：克雷格-弗里茨/桑迪亚国家实验室

材料老化的最大因素之一是反复从高温暴露到低温，再从低温暴露到高温。大多数材料在加热时会膨胀，在冷却时会收缩，但每种材料都有自己的变化率。例如，聚合物的膨胀和收缩率最大，而金属和陶瓷的收缩率最小。

复合材料面临的挑战

领导该团队的材料科学家 Erica Redline 说，大多数物品都是由一种以上的材料构成的。"以手机为例，它有一个塑料外壳，再加上一个玻璃屏幕，里面还有构成电路的金属和陶瓷，"Redline 说。"这些材料都是用螺丝、胶水或其他方式粘合在一起的，会以不同的速度膨胀和收缩，相互之间产生应力，时间长了就会导致开裂或翘曲"。她不断从桑迪亚的许多客户那里听到同样的抱怨。

Redline说："他们总是在谈论热膨胀不匹配的问题，以及他们现有的系统如何难以使用，因为他们需要添加各种填充物来进行补偿。"

就这样，Redline 的想法诞生了。

"我想，如果我创造出一种完美的材料，那会是什么样子呢？"在她的团队查德-斯泰格（Chad Staiger）、杰森-杜格（Jason Dugger）、埃里克-纳格尔（Eric Nagel）、库希克-高什（Koushik Ghosh）、杰夫-福斯特（Jeff Foster）、肯尼斯-里昂（Kenneth Lyons）、阿拉娜-尹（Alana Yoon）以及学术联盟合作者扎卡里亚-佩奇（Zachariah Page）教授和研究生梅根-基克（Meghan Kiker）的帮助下，Redline认为她已经做到了。

桑迪亚国家实验室的化学家查德-斯泰格（Chad Staiger）使用分离漏斗去除分子合成过程中的副产物。图片来源：克雷格-弗里茨/桑迪亚国家实验室

行动中的分子

研究小组对分子进行了改良，使其可以很容易地融入聚合物中，从而改变其特性。这确实是一种独特的分子，当加热它时，它不会膨胀，反而会通过改变形状而收缩。当它加入聚合物中时，会使聚合物的收缩程度降低，达到与金属相似的膨胀和收缩值。有一种分子的行为与金属相似，这是非常了不起的。

这种分子有无限的用途。聚合物可用作电子产品、通信系统、太阳能电池板、汽车部件、印刷电路板、航空航天应用、国防系统、地板等的保护涂层。

桑迪亚化学工程师杰森-杜格（Jason Dugger）说："这种分子不仅解决了当前的问题，还为未来更多的创新开辟了设计空间，"他一直在研究潜在的应用，尤其是在国防系统中的应用。

这项发明的另一个关键在于，它可以在 3D 打印中以不同的比例融入聚合物的不同部分。可以在一个区域打印出具有特定热性能的结构，而在另一个区域打印出具有其他热性能的结构，以匹配物品不同部分的材料。

另一个好处是通过消除重填料来减轻材料的重量。这将使我们能够把东西做得更轻，以节省质量。例如，在发射卫星时，这一点尤为重要。我们能节省的每一克都非常有用。

雷德琳说，还有一位环氧树脂配方设计师找到她，认为这种分子可以加入粘合剂中。

Chad Staiger、Kenneth Lyons、Erica Redline、Alana Yoon 和 Eric Nagel（从左至右）是桑迪亚国家实验室帮助提高材料耐用性的研究团队成员。图片来源：克雷格-弗里茨/桑迪亚国家实验室

虽然研究小组只创造了少量这种分子，但他们正在努力寻找扩大生产规模的方法，以便其他桑迪亚研究人员能够测试这种分子，以满足任务需要。桑迪亚的有机化学家查德-斯泰格（Chad Staiger）负责制造这种分子。他说，他需要花费大约 10 天的时间来制造 7-10 克的分子。

"不幸的是，这种分子的合成过程很长，"斯泰格说。"更多的步骤意味着更多的时间和金钱。在制药等价值较高的材料中，通常需要五到六个步骤的合成。在聚合物领域，越便宜越有利于大规模应用。"

该团队正利用桑迪亚技术成熟计划提供的10万美元资金，努力减少合成步骤。