在我們日常生活中，透明材料無處不在，從智能電話螢幕到高樓大廈的窗戶，它們以其獨特的透明性和功能性為我們帶來了無盡的便利。科學家們也正在探索一種全新的透明材料——超分子玻璃，它可能將引領透明材料領域的新一輪革命。
那麽，超分子玻璃究竟是什麽樣的呢？它又有哪些獨特的優勢呢？接下來，就讓我們一起走進超分子玻璃的世界，探索這一未來透明材料的新篇章。
透明窗戶
（圖片來源：veer圖庫）
2024年4月19日，中國科學家在【自然-通訊】雜誌上發表了一項關於制備超分子玻璃的文章，宣布研制出高透明度的超分子玻璃，對於未來構築透明材料提供了一種新的思路！
研究成果發表於【自然-通訊】雜誌
（圖片來源：【自然-通訊】雜誌）
超分子玻璃是什麽？
超分子玻璃，這一聽起來頗為神秘的名字，實際上是一種透過非共價鍵交聯形成的無定型材料。與傳統的無機和有機玻璃相比，超分子玻璃以其獨特的內在結構特征和優異的光學效能而備受矚目。
它不僅僅是一種透明材料，更是一種兼備可回收性、良好的相容性和熱加工性的材料。這些特性使得超分子玻璃在工業生產、科學研究以及日常生活中都有著廣泛的套用前景。但是，目前超分子玻璃的研究仍處於起步階段。
玻璃
（圖片來源：veer圖庫）
超分子玻璃的制備
科學家利用溶劑蒸發法，以甲基-β-環糊精和對羥基苯甲酸為原料，合成了超分子玻璃。
在合成過程中，主要分為兩個關鍵步驟：首先，在高溫條件下，甲基-β-環糊精和對羥基苯甲酸水溶液混合物中的水分子會透過蒸發而被除去。甲基-β-環糊精作為主體分子，對羥基苯甲酸作為客體分子，透過主客體辨識作用形成一種新的超分子聚合物。其次，將聚合物在80℃和20MPa的溫度和壓力下進行熱壓10min，最終構建出透明、塊狀的超分子玻璃。
由於合成原料的兩種物質之間具有多種主客體單元辨識模式，因此最終形成的超分子玻璃的結構也是多樣性的。
超分子玻璃的制備工藝
（圖片來源：參考文獻1）
超分子玻璃的性質
科學家對制備的超分子玻璃的性質進行了一系列表征。結果表明，合成的超分子玻璃是無色透明狀的。在300至1000nm寬波長光的照射下，超分子玻璃的透明度超過了85%，與市面上銷售的透明玻璃材料的透明度相當。
但是，當把超分子玻璃在真空下進行幹燥處理後，玻璃變成了一種不透明材料，可見光的透過率不到10%。
科學家進一步結合原子力顯微鏡，表面積測量，拉伸和負重實驗對超分子玻璃進行表征。結果顯示，制備的超分子玻璃內部是致密無孔的結構，具有良好的穩定性和機械強度，2mm的厚度就能承受200g重物而不碎裂。
超分子玻璃的性質（a、超分子玻璃照片；b、超分子玻璃和幹燥玻璃的透光率；c、幹燥玻璃照片；de、原子力表征；f、超分子玻璃和幹燥玻璃的降低模量和硬度；g、負重實驗；h、拉應力-應變曲線；i、超分子玻璃在室溫和30% 濕度下隨時間變化的拉伸應力）
（圖片來源：參考文獻1）
超分子玻璃除了具有優異的透明度、機械強度外，竟然也能回收迴圈利用！ 將超分子玻璃剪碎後，磨成尺寸在微米級別的小顆粒。將這些小顆粒溶解成溶液狀，再次將溶液中的水加熱蒸發，把得到的粗產物進行熱壓，便會制備得到新的超分子玻璃。
反復迴圈制備五次，最後得到的玻璃與第一次的玻璃相比，透明度也不會衰減。
此外，科學家在玻璃中添加硝酸銀、硫酸銅、氯化鐵等一系列無機和有機化合物，制備得到的玻璃仍能保持較好的透明度和機械強度。超分子玻璃對這些添加物質的化學相容性好。
基於此性質，在後續的研究中，科學家可以對超分子玻璃進行改性處理，加大了超分子玻璃的適用範圍。
超分子玻璃的可回收性和相容性測試（a、玻璃的回收；b、回收玻璃的透明度；cde、添加不同化學物質後的玻璃；f、添加不同化學物質後玻璃的透明度；g、添加不同化學物質後玻璃的降低模量和硬度）
（圖片來源：參考文獻1）
結語
超分子玻璃，作為材料科學領域的一顆璀璨新星，其獨特的性質和優異的效能讓它們在多個領域都有著廣泛的套用前景。然而，從制備工藝的最佳化到效能的提升，從成本的控制到環保的考量，超分子玻璃的研究和套用仍面臨著諸多挑戰。
我們相信隨著科技的進步和研究的深入，超分子玻璃將會給我們帶來更多的驚喜和突破。讓我們共同期待超分子玻璃未來的輝煌篇章！
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出品：科普中國
作者：石霧遙 （生物學博士）
監制：中國科普博覽
