在往玻璃状聚合物球体（左图）或易弯曲的聚合物棒（右图）中加入机械性响应的染料之后，对其进行挤压或拉伸都会引起颜色的改变，从而提示人们该聚合物受到了伤害
触发化学性状改变的聚合物
物理性应力对于肌体组织来说往往不是件坏事――事实上，这正是它们成长所需要的。譬如，骨头在承载机械负荷时痊愈得更为理想，而肌肉在受力时往往会变得更为强壮。“听力也同样具有机械性特征，”美国伊利诺伊大学香槟分校的材料工程师南希·索托丝（Nancy Sottos）说，“小至蛋白质和细胞，大至宏观层次，这样的例子比比皆是――生理系统就是这样借助机械力成功地刺激对生命至关重要的生长进程。”
相比之下，机械应力却常常导致合成聚合物的退化甚至最终崩溃。那么，为什么这些材料就不能对压力也做出积极的响应呢？对此，索托丝认为：“每当您把一种力加诸于某个物体上，就类似于气功意义上的做功；而做功，则意味着可以带来化学反应的能量。”目前，索托丝正与伊利诺伊大学贝克曼研究所的一个由化学家和工程师组成的小组合作，试图把某些物质加入到那些能够转化挤压或拉伸的能量，进而触发化学性状发生改变的聚合物中。
作为概念证明，索托丝及其同事已经开发出一种结合了名叫螺吡喃的染色分子的聚合物。当分子环状结构中某一特定共价键受到破坏时，其形状会发生改变，进而使分子的光吸收范围趋于更长的波长，从而使可见色（此时为红色）和荧光度都得到增强。他们发现，加诸于聚合物上的机械力可以激发并明确共价键受到破坏的化学反应。而且，这种反应是可逆的：根据聚合物刚度的不同，只要使之暴露在光和热之下，短则几个小时，长则几个星期，该环状结构就能够重新闭合。
通过对几种不同结构的实验，索托丝及其同事指出，为了使能量从机械力转化为能够让螺吡喃中的共价键受到破坏的化学反应，染色分子必须置于有弹性的聚合物的中心位置，以使其两端都受力；而对于玻璃状聚合物，染色分子则被加入到交联聚合物长链的成分之中。在实验中，他们还证明了颜色的变化不是出于其他因素，譬如，聚合物损坏时的局部受热等。
旨在实现完美的分子融合法
在今年5月7日出版的《自然》杂志上，该研究团队发表的报告给人们带来了两种新的实验性聚合物。其中一种被称为PMA（聚丙烯酸甲酯）的有弹性的聚合物被制成了杠铃状，即两端粗厚且由细小的中间部分相连接；当其被拉伸直至断裂的过程中，该聚合物的受损部位会发生颜色的变化，断裂后则大面积地变成了红色。另一种聚合物是由PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）制成的玻璃状小珠子，当珠子受到挤压时，其颜色也出现变化直至发出荧光。目前，该研究团队能够在诸如聚氨酯和聚苯乙烯等其他聚合物中得到相同的实验效果，索托丝因此并不认为这一技术具有一定的局限性。
聚合物受损时发生颜色的变化，这显然可以用于制作感应器，以便在灾难性结果发生前就能显示什么时候以及什么部位发生了物理性断裂。出于某些应用的需要，该研究团队也许还需要开发出对光和热不做响应的染料。不过，他们也在开发其他的机械载体（mechano-phore）――具机械性敏感度的化学物质。据索托丝说：“我们正在同时测试几种新的机械载体，并不仅仅局限于颜色上发生的变化”。
在此之前，尽管人们已经开发出了能够“自愈”的聚合物，例如，通过在其内部加入许多带有修复材料的微小球体，一旦球体出现裂缝，那些修复材料就会自行填补裂缝；然而，这种聚合物中的小球体只能使用一次，其自我修复的寿命受到局限，而且有些修复材料与聚合物的内含物不完全相融。“我们曾一度试图使球体变得更小些，后来猛然间我们醒悟过来，也许我们可以把一些东西直接加入到聚合物的长链中，”索托丝说，“于是，我们希望能实现这种更为完美的分子融合法。”
有待开发的新材料也许能储存多余的单体，而机械载体也许可以催化多余的单体并形成新的聚合物。在最为理想的情形下，作为对应力的响应，这种机械载体也许能够使已经存在的、受到破坏的聚合物发生新的交联，从而使断裂得以复合。“那是终极目标，”索托丝指出，“为了实现这一目标，我认为我们已经有了一个切实可行的战略。尽管困难不小，但我相信会有喜人的进展。”
责任编辑 则 鸣