香港文匯報訊（記者 莫楠）從日常可見的塑膠包裝，到穿戴式電子產品內的精密感應器，高分子材料（polymer materials）早已滲入現代生活，成為支撐產業與民生的重要基礎。材料表現的關鍵，往往藏於肉眼難以察覺的微觀結構之中。分子鏈如何纏結，以及以何種方式糾纏，會直接影響材料的強度、柔韌性與彈性。香港大學化學系教授王宇鋒與歐陽灝宇領導的研究團隊，透過構建不同結構的環狀分子模型，釐清分子纏結與材料特性之間的關係，為新一代「智能材料」設計提供新方向。
在微觀世界中，高分子分子鏈常如一團糾結的耳機線般彼此纏繞，結構複雜且難以控制，令科學界多年來難以精準預測材料的宏觀行為，更難按應用需求度身設計其性能。為破解此難題，港大團隊以可精準設計的分子環，取代傳統高分子材料中難以捉摸的纏結狀態，從而直接觀察不同分子結構在受力時如何儲存與釋放能量。
研究顯示，結構相對簡單的大環分子（macrocyclic rings）具備較大的可摺疊空間與緩衝餘量。當材料受到拉扯或撞擊時，大環分子會逐步展開以吸收外來能量，因而令材料更為堅韌耐用。相較之下，如鎖匙扣般互鎖的分子環「索烴」（catenanes）結構更緊密，內部可伸展的空間較少，受力時更像微型彈簧，可在卸力後迅速回復原狀，展現更高回彈性能。上述結果有助科學界理解不同分子結構如何導致不同機械反應，並可按需要設計具特定功能的材料，例如吸震能力更強，或具高速回彈特性的材料。
研究的關鍵在於分子環內部的「隱藏長度」，即分子結構內可被拉開的緩衝空間。團隊發現，看似細微的結構差異，足以顯著改變材料的物理特性。不同分子結構在受力時，會以不同方式儲存與釋放能量，有的更擅長吸收衝擊力，有的則更擅長迅速回彈。團隊亦進一步展示，可透過調整「隱藏長度」對材料性能作精準調控。當研究人員向分子環引入銅離子後，可把內部的可活動空間固定，使分子環結構更為剛硬。換言之，未來可透過改變外在環境條件或引入特定刺激，調節材料的強度與柔韌度等性質，實現更具針對性的性能調配。
港大團隊透過識別不同分子結構的力學反應模式，建立一套新的材料設計框架，未來有望按應用需要，開發兼具高吸震能力或高速回彈特性的材料。歐陽灝宇表示，研究有助更深入理解分子結構如何影響材料特性，未來可透過選擇合適的分子「打結」方式，控制材料內部的「隱藏長度」，並因應不同應用場景作進一步調控與優化。
王宇鋒指出，此發現對軟體機械人、組織工程及穿戴式電子設備等領域均具重要意義。軟體機械人需要同時兼具柔軟度與強度，組織工程材料則需模仿人體肌肉複雜而靈活的運動特性，穿戴式電子設備亦要求高耐用度與高彈性兼備。相關成果為科學家提供新的材料設計思路，推動開發具特定功能的智能材料。
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