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高分子材料（polymer materials）早已成為現代生活的重要基礎。從日常使用的塑膠包裝，到穿戴式電子產品中的精密感應器，均廣泛應用着高分子材料。在微觀世界中，這些材料的分子鏈往往互相糾纏，而不同的糾纏方式，則會賦予材料截然不同的強度、柔韌性及彈性，對材料的宏觀性能起着關鍵性的作用。然而，糾纏的高分子往往像一團凌亂的耳機線，複雜而難以控制。因此，科學界多年來一直無法準確預測材料的宏觀表現，亦難以按需要設計其特性。

香港大學（港大）化學系王宇鋒教授及歐陽灝宇教授領導的研究團隊，近日在相關領域取得突破。團隊透過構建不同結構的環狀分子模型，成功找出分子纏結與材料特性的關係，為新一代「智能材料」設計提供全新方向。研究成果已於國際頂尖化學期刊《美國化學學會期刊》（Journal of the American Chemical Society）發表。

以「金屬開關」調控材料性能

此研究的關鍵，在於分子環內部微小的「隱藏長度」（hidden length），即分子結構內部可被拉開的「緩衝空間」。團隊發現，這些微小結構原來足以大幅改變材料的物理特性。因此，不同分子結構在受力時，會以不同方式儲存及釋放能量，有些像安全帶般能吸收衝擊力，有些則像彈簧那樣能快速回彈。

為了進一步理解這機制，研究團隊以精準設計的分子環，取代傳統高分子材料中複雜的分子纏結，從而觀察不同分子結構如何儲存及釋放能量。研究發現，簡單的大環分子（macrocyclic rings）能有效摺疊，並具有較寬裕的緩衝空間。當材料受到拉扯或撞擊時，這些大環分子會逐步展開，吸收外來能量，因此令材料更堅韌耐用。相比之下，如鎖匙扣般互鎖的分子環「索烴」（catenanes）因結構較緊密，內部「鬆位」較少，因此表現得更像微型彈簧。這類材料在受力後可以迅速回復原狀，展現極高彈性。這項發現有助科學家理解不同分子結構如何產生不同機械反應，未來可按需要設計具特定功能的材料，例如吸震能力較強，或具高速回彈特性的材料。

研究團隊更進一步展示，如何透過改變材料內部的「隱藏長度」，實現對材料物理特性的精準調控。當研究人員將銅離子加入分子環後，可有效將內部的「鬆位」固定，使分子環結構變得更為剛硬。換言之，科學家未來可透過改變外在環境條件或引入特定刺激，從而調控材料的強度和柔韌度等特性，實現對材料性能的「客製化」操控。

為軟體機械人及組織工程鋪路

這項研究為度身設計新一代「智能材料」提供重要設計藍圖。港大研究團隊透過識別不同分子結構的機械反應模式，建立了一套全新的材料設計框架，未來有望按需要設計具高吸震能力或高速回彈特性的材料。

港大化學系歐陽灝宇教授表示，這項研究有助科學家更深入理解分子結構如何影響材料特性，未來有望設計具特定功能的材料：「透過選擇合適的分子『打結』方式，我們可以控制材料內部的『隱藏長度』，並因應不同的應用場景，對材料性質作進一步調控和優化。」

港大化學系王宇鋒教授說，這些發現對設計軟體機械人、組織工程及穿戴電子設備等領域均具重要意義：「例如軟體機械人需要同時具備柔軟度與強度；組織工程材料則需要模仿人體肌肉複雜而靈活的運動；而穿戴電子設備亦要兼具高耐用度與高彈性，這項研究為科學家提供一套全新的材料設計框架，開發具特定功能的智能材料。」

此研究獲香港研究資助局協作研究基金（Collaborative Research Fund, C7075-21G）、優配研究金（General Research Fund, 17313222），以及中國科學院-香港大學新材料合成與檢測聯合實驗室 （CAS-HKU Joint Laboratory on New Materials, JLFS/P-701/24）支持。論文第一作者羅天淨、鄧裕林及胡明達均為港大化學系博士研究生。

有關研究詳情，請參閱論文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c01062

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