有沒有一種特殊服裝，可以在遇到交通事故時瞬間硬化保護人體？日本北海道大學團隊開發出一種新的水凝膠材料，冷卻時柔軟，加熱後則硬度、強度、韌性瞬間提升，在實驗中僅僅一條細絲就能提起 10 公斤重的啞鈴。研究人員表示，新型水凝膠能應用在與交通或運動有關的紡織材料上，比如賽車服、運動防護服等。
凝膠（gel）是一種類似果凍的固體材料，它可以很柔軟也可以很堅硬，而水凝膠（Hydrogel）是以水為分散介質的凝膠，在室溫下，水凝膠軟而透明。然而人工合成水凝膠通常有些缺點，比如吸水效果差，因此科學家近年投入大量研究心力開發各種新型水凝膠，如：拓撲型水凝膠、雙網絡結構水凝膠、複合水凝膠、大分子微球複合水凝膠、疏水締合凝膠、均一鏈結構水凝膠等。
而最近日本北海道大學生物科學家 Takayuki Nonoyama、Jian Ping Gong 團隊，受到嗜熱菌中天然蛋白的啟發，開發出一種廉價、無毒的聚丙烯酸水凝膠，當溫度加熱至 60℃ 時，能提起重達 10 公斤的啞鈴。
▲ 水凝膠在室溫下與加熱後的變化。
嗜熱菌人如其名，常生活在溫泉或深海火山等極端高溫的環境中，一般來說，高溫會導致蛋白質「變性」，從而改變其結構並破壞鍵合，然而嗜熱菌中的蛋白質因增強的靜電相互作用（例如離子鍵），在高溫下依然維持穩定結構。
研究人員基於這種概念，將由聚電解質聚丙烯酸（polyelectrolyte poly (acrylic acid)，PAAc）組成的凝膠浸入乙酸鈣水溶液中，PAAc 本身就像其他聚合物材料一樣會在加熱時變軟，然而當添加乙酸鈣時，PAAc 與乙酸鈣分子相互作用，其方式類似嗜熱菌蛋白內部發生的反應，從而導致 PAAc 出現截然不同的行為。
團隊發現，隨著溫度升高，最初均勻的凝膠會分離成緻密的「相」和稀疏的「相」。當達到臨界溫度（約 60℃）時，緻密相開始明顯脫水，從而增強聚合物分子之間的離子鍵和疏水性作用，這種轉變促使材料從柔軟、透明的水凝膠迅速轉變為剛性的不透明材料。
▲ 水凝膠遇熱硬化的分子結構與機理。
加熱後的新型水凝膠硬度比原始水凝膠高 1,800 倍（材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力），強度提高 80 倍（材料在外力作用下抵抗破壞的能力），韌性則提高 20 倍（材料承受應力時抵抗折斷的能力），並且水凝膠軟硬變化完全可逆。
接著研究人員將新凝膠與玻璃纖維（glass fabric）織物結合，以每小時 80 公里的速度在瀝青表面拉動 5 秒鐘，發現摩擦產生的熱量立刻使材料變硬，且織物與瀝青接觸的表面沒有太大磨損。
瀝青即鋪路材料，Takayuki Nonoyama 表示，這種結合新凝膠的織物與瀝青表面摩擦後會快速硬化，能在發生交通事故或激烈運動中為人體提供額外保護力，賽車手和運動選手也許有需求；此外，材料也能與窗戶材料結合，用來吸收熱量保持建築物內部涼爽。
新論文發表在《先進材料》（Advanced Materials）期刊。
- Bio-inspired hydrogel can rapidly switch to rigid plastic
- Thermophile-inspired gel gets 1,800 times harder when heated
（圖片來源：北海道大學）
