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一、神奇的自生长聚合物材料：开启软材料新大门
嘿，各位小伙伴！今天咱来认识一种超神奇的材料——自生长聚合物材料。这可不是一般的材料，它能像有生命的东西一样“长大”呢！想象一下，材料自己吸收外界的“营养”，然后改变形状，是不是超酷？现在好多研究都在模仿生物体的生长能力做动态聚合物，但大多只能简单地均匀生长，没办法在生长时复杂地控制整体形状变化。不过别担心，今天要说的这个研究，就找到了新方法，能控制合成材料在生长时的形状变化，这可给制备特殊形状或表面形态的软材料开辟了新方向！
二、生长模式大揭秘：均匀生长和异质生长
咱先来看看材料的生长模式，这里面有大学问呢！通过有限元模拟对比两种不同生长机制，就像打开了材料生长的“小秘密”盒子。
均匀生长时，材料就像个乖巧的孩子，保持着原来的形状。在模拟中，给种子聚合物用含有单体和交联剂的营养液泡一泡，让它膨胀。然后，聚合反应和链交换反应在整个样品里均匀发生，最后样品还是原来的模样，之前膨胀产生的应力也因为链交换反应释放掉啦，就像一个气球吹大了又慢慢放了气，变回原来的样子。
而异质生长就有趣多啦！模拟的时候，用核壳结构来设定反应，核心部分反应快，壳层反应慢。结果发现，核心反应消耗了营养物质，就像一个小馋猫，把周围的“食物”都吃光了，导致壳层的营养物质往核心流动。这样一来，壳层收缩，核心膨胀，整个样品就变形啦！就好比一个气球，中间部分越来越鼓，外面的皮却越来越紧，最后气球的形状就变得和原来大不一样。这种变形机制和以前那种因为网络里固定电荷产生渗透压来驱动溶剂扩散的方式不同，这里网络结构是随着时间动态变化的。
三、酸碱催化的奇妙差异：酸“稳”碱“变”
研究人员还发现，酸催化和碱催化的体系差别可大啦！以前研究过酸催化的硅酮体系生长，用八甲基环四硅氧烷（D4）和交联剂，以三氟甲磺酸为催化剂。在室温下，酸就能让聚合反应和链交换反应进行，而且因为催化剂能在网络里轻松扩散，营养物质就均匀地进入了材料基质，所以样品形状基本不变，就像一个人规规矩矩地站着，不管怎么“吃”，身材比例都不变。
再看看碱催化的情况。这次用的是四甲基氢氧化铵硅醇盐（TMAS）作催化剂，它和酸催化剂的脾气可不一样。碱催化的聚合反应和链交换反应一般要在高温下才“活跃”起来，而且碱性活性物种的扩散也不是简单的过程，而是链转移过程。研究人员就猜测，这可能会让碱性活性物种分布不均匀，从而让样品形状发生变化。为了验证这个想法，他们做了好多实验。先制备了碱性种子，把它泡在营养液里，一开始它和失去活性的对照组一样，只是物理膨胀，形状不变。但是，当把膨胀后的样品加热到90°C时，神奇的事情发生了！原本方形的样品居然变成了球形，就像一块方形的橡皮泥，自己慢慢变成了一个圆球，而且这个过程还和营养物质的吸收、聚合反应有关呢。
四、核心-壳层结构的发现：材料变形的“幕后推手”
样品为什么会变形呢？原来是核心-壳层结构在捣鬼！把种子泡在营养液里膨胀后，就会自动形成核心-壳层结构。从外观上看，壳层是透明的，核心是半透明的。这是因为碱性活性物种很容易吸水，把水分子吸引到疏水的硅酮基质里，就让材料变得有点浑浊。而且，空气中的二氧化碳会扩散到样品里，让壳层的碱性物种失去活性。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析也证实了这一点，核心区域能检测到水和二氧化碳反应的痕迹，而壳层的碱性物种被中和后就变得不吸水了。
为了看看营养物质在生长样品里是怎么分布的，研究人员还设计了一种带颜色的交联剂。用染了色的种子在没染色的营养液里生长，或者没染色的种子在染了色的营养液里生长，再通过实验分析发现，营养物质主要在核心区域聚合，这就进一步证明了前面说的异质生长的假设。
五、材料性能大调控：随心所欲变变变
这种自生长聚合物材料还有个超厉害的地方，就是它的好多性能都能调控！比如改变营养液的配方，就能轻松调整生长样品的机械性能和生长指数。增加交联剂浓度，样品就会变硬；而生长指数呢，虽然和营养液里交联剂浓度关系不大，但可以通过控制单个生长周期的时间，或者增加生长周期的次数来调整，就像给材料设定了一个“成长计划”，想让它怎么长就怎么长。
而且，材料的形状变化也能控制哦！形状变化和生长程度有关，改变引发剂浓度、交联程度、退火温度这些参数，就能调整材料生长后的大小和形状。有些参数还能只改变材料大小，不影响形状比例，是不是很神奇？就像给材料施了魔法，想让它变大变小、变圆变方都可以。
六、材料应用前景展望：未来无限可能
这种碱催化的异质生长硅酮材料在实际应用中也有很大的潜力！比如说，它能修复材料的大损伤。以前的材料自我修复需要分开的表面紧密接触才能发生链交换反应，但对于大损伤就很难做到了。而这种材料因为有明显的局部体积变化，就能修复比简单切割大得多的损伤，像给材料“治病”一样，把大伤口都能治好。
另外，通过外部刺激来控制异质生长，还能让材料在没有模板的情况下变成各种形状。比如局部加热就能让方形材料变成蘑菇形；在材料上制造缺陷，就能让它从缺陷的地方选择性生长。而且利用材料的自我修复能力，还能预先设定活性物种的位置，让材料在特定的地方生长，这在制造复杂结构的时候可太有用啦，未来在微观到宏观尺度的复杂结构制造领域，它说不定能大显身手，创造出好多新奇的东西呢！
七、一起来做做题吧
1、目前多数模仿生物体生长能力的动态聚合物存在什么局限？（ ）
A. 无法实现主链重塑
B. 只能进行复杂的异质生长
C. 仅限于简单的均匀生长，难以控制生长时的整体几何变换
D. 不能吸收外部营养
2、在有限元模拟中，异质生长时样品发生变形的原因是？（ ）
A. 壳层的聚合反应速度比核心快
B. 核心反应消耗营养，使壳层营养向核心流动，导致壳层收缩、核心膨胀
C. 整个样品均匀膨胀导致的
D. 链交换反应只在壳层发生
3、酸催化的硅酮体系生长时样品形状基本不变的原因是？（ ）
A. 酸催化剂无法在网络中扩散
B. 聚合反应速度极快
C. 质子快速渗透使营养物质均匀分布
D. 链交换反应不发生
4、碱性种子在营养液中膨胀形成核心 - 壳层结构，壳层透明的原因是？（ ）
A. 壳层含有大量水分
B. 壳层的碱性活性物种被二氧化碳中和，不含活性碱性物种
C. 壳层的聚合反应更剧烈
D. 壳层的营养物质浓度更高
5、以下哪种方法不能用来调控碱催化生长材料的形状？（ ）
A. 改变交联剂浓度
B. 改变样品的初始颜色
C. 改变引发剂浓度
D. 改变退火温度
参考文献：
Xiong, X., et al. Controlled macroscopic shape evolution of self-growing polymeric materials. Nat Commun 16, 2131 (2025).
