有没有一种特殊服装，可以在遇到交通事故时瞬间硬化保护人体？日本北海道大学团队开发出一种新的水凝胶材料，冷却时柔软，加热后则硬度、强度、韧性瞬间提升，在实验中仅仅一条细丝就能提起 10 公斤重的哑铃。研究人员表示，新型水凝胶能应用在与交通或运动有关的纺织材料上，比如赛车服、运动防护服等。
凝胶（gel）是一种类似果冻的固体材料，它可以很柔软也可以很坚硬，而水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质的凝胶，在室温下，水凝胶软而透明。然而人工合成水凝胶通常有些缺点，比如吸水效果差，因此科学家近年投入大量研究心力开发各种新型水凝胶，如：拓扑型水凝胶、双网络结构水凝胶、复合水凝胶、大分子微球复合水凝胶、疏水缔合凝胶、均一链接构水凝胶等。
而最近日本北海道大学生物科学家 Takayuki Nonoyama、Jian Ping Gong 团队，受到嗜热菌中天然蛋白的启发，开发出一种廉价、无毒的聚丙烯酸水凝胶，当温度加热至 60℃ 时，能提起重达 10 公斤的哑铃。
▲ 水凝胶在室温下与加热后的变化。
嗜热菌人如其名，常生活在温泉或深海火山等极端高温的环境中，一般来说，高温会导致蛋白质“变性”，从而改变其结构并破坏键合，然而嗜热菌中的蛋白质因增强的静电相互作用（例如离子键），在高温下依然维持稳定结构。
研究人员基于这种概念，将由聚电解质聚丙烯酸（polyelectrolyte poly (acrylic acid)，PAAc）组成的凝胶浸入乙酸钙水溶液中，PAAc 本身就像其他聚合物材料一样会在加热时变软，然而当添加乙酸钙时，PAAc 与乙酸钙分子相互作用，其方式类似嗜热菌蛋白内部发生的反应，从而导致 PAAc 出现截然不同的行为。
团队发现，随着温度升高，最初均匀的凝胶会分离成致密的“相”和稀疏的“相”。当达到临界温度（约 60℃）时，致密相开始明显脱水，从而增强聚合物分子之间的离子键和疏水性作用，这种转变促使材料从柔软、透明的水凝胶迅速转变为刚性的不透明材料。
▲ 水凝胶遇热硬化的分子结构与机理。
加热后的新型水凝胶硬度比原始水凝胶高 1,800 倍（材料局部抵抗硬物压入其表面的能力），强度提高 80 倍（材料在外力作用下抵抗破坏的能力），韧性则提高 20 倍（材料承受应力时抵抗折断的能力），并且水凝胶软硬变化完全可逆。
接着研究人员将新凝胶与玻璃纤维（glass fabric）织物结合，以每小时 80 公里的速度在沥青表面拉动 5 秒钟，发现摩擦产生的热量立刻使材料变硬，且织物与沥青接触的表面没有太大磨损。
沥青即铺路材料，Takayuki Nonoyama 表示，这种结合新凝胶的织物与沥青表面摩擦后会快速硬化，能在发生交通事故或激烈运动中为人体提供额外保护力，赛车手和运动选手也许有需求；此外，材料也能与窗户材料结合，用来吸收热量保持建筑物内部凉爽。
新论文发表在《先进材料》（Advanced Materials）期刊。
- Bio-inspired hydrogel can rapidly switch to rigid plastic
- Thermophile-inspired gel gets 1,800 times harder when heated
（图片来源：北海道大学）
