当谈到汽车对环境的影响时，很多笔墨都洒在了尾气排放上。但你可能没有想到汽车带来的另一个环境威胁:微塑料污染。

汽车轮胎由橡胶制成，也有塑料聚合物和其他材料。当轮胎与路面摩擦时，这些材料的微小碎片(大多数只有沙粒大小的一小部分)就会脱落。有些被冲入土壤和水道;另一些则进入空气中，对人类和其他生物健康的长期影响尚不清楚。

杜克大学(Duke University)化学教授斯蒂芬•克雷格(Stephen Craig)认为，我们可以做得更好。在《科学》杂志上发表的一篇论文中，他和同事描述了一种方法，可以在不影响其他方面性能的情况下，将橡胶材料的硬度提高一个数量级。

克雷格是杜克大学和麻省理工学院(MIT)团队的一员，该团队一直在研究一类名为弹性体的柔性聚合物基材料的分子反应。想想橡胶轮胎、医用手套中的丁腈和软性隐形眼镜中的硅酮。这些材料的神奇之处在于，它们可以被反复拉伸和挤压，但仍能恢复原来的形状。

但它们不是坚不可摧的——足够的压力，它们就会开始破裂。根据克雷格的说法，大多数使这种材料更耐用的方法总是涉及到一种权衡:例如，更大的韧性换取更少的弹性。

这项新研究表明，并不总是需要妥协。秘密在于材料中嵌入的弱键实际上使其更坚固。

放大到足够近的距离，弹性体基本上看起来就像一堆松散缠绕的绳子或意大利面条。每条链都是长长的链状分子，称为聚合物，共价键称为交联键，将相邻的链连接在一起。

正是这些交联帮助这些材料保持形状。拉动这种材料可以拉伸纠缠在一起的聚合物链，使它们变直。放开它，它们就会放松，回到更盘绕和捆成一团的状态。

在这项新研究中，研究小组的想法是利用易断裂的弱交联将一些聚合物链绑在一起。

在他们的工作中，研究人员设计并合成了两种由聚丙烯酸酯组成的相同弹性体，聚丙烯酸酯是一种用于制造软管、密封件和垫圈等产品的橡胶聚合物。然后，在其中一种弹性体中，他们用弱五倍的交联取代交联，这是由于嵌入的分子在压力下会断裂——在这种情况下，是一种叫做环丁烷的环状分子。

克雷格说，在其他条件相同的情况下，你可能会认为“更容易断裂的接头应该产生更容易撕裂的材料”。但相反，他们发现了相反的结果。“令人惊讶的是，整个网络变得更强，而不是更弱。”

在机械测试中，研究人员将每种材料的薄片装入一台机器，以测量撕裂样品所需的力。两种材料的硬度和弹性相似，但用弱交联剂制成的材料比用强交联剂制成的材料更难撕裂9倍。

克雷格说:“韧性的增强在物理特性上没有任何其他重大变化，至少我们可以测量到，它是通过替换一小部分整体材料来实现的。”

第一作者王舒说，聚合物材料的撕裂本质上是一种化学反应，他在克雷格和杜克大学聚合物理论家迈克尔·鲁宾斯坦的指导下完成了这项研究，这是他博士论文的一部分。通常，跨越裂缝前缘的聚合物链必须断裂才能使裂缝扩散。

但在他们的设计中，弱交联首先断裂，留下主要的聚合物线松开，但其他部分完好无损。这有助于防止材料进一步分解，即使小的划痕和瑕疵开始形成。

克雷格说，该团队已经为这种方法申请了专利，尽管要利用这种见解设计出更坚固的合成橡胶，比如轮胎中的合成橡胶，还有很多工作要做。“但这是我最感兴趣的长期应用。”

此前的研究估计，每年，轮胎在全球范围内释放约600万吨灰尘和碎片，占最终进入海洋的微塑料总量的10%，占我们呼吸的空气中颗粒物的3-7%。

克雷格说:“这只是轮胎在路上磨损造成的。”“即使你能减少10%，也仍然有60万吨微塑料被排除在环境之外。所以我真的很高兴看到这些想法如何转化为这个问题。”

原文链接：https://www.materialstoday.com/polymers-soft-materials/news/weaker-bonds-produce-tougher-elastomers/

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