作者:詹娜·库兹韦尔，伊利诺伊大学香槟分校
泡沫图像描绘了具有低(左)和高(右)各向异性水平的样品
这些图像对应于同样拍摄的横截面
学分:伊利诺伊大学香槟分校 生活中的许多经验都是从树上学到的
站稳立场
好事需要时间
弯腰，不要折断
但是撇开隐喻不谈，我们庄严的树栖邻居提供了丰富的科学智慧——我们有很多东西要学
简单地说，树木是自然界的第一批材料科学家
像许多植物一样，它们有维管系统，管状通道网络，将水和其他重要的营养物质从根、枝、叶运输
贝克曼高级科学技术研究所的一个研究小组开发了一种化学方法来制造带有自己的血管系统的泡沫聚合物，控制中空通道的方向和排列，以提供结构支撑并有效地使流体通过材料
他们的工作“通过正面聚合的各向异性泡沫”发表在《先进材料》杂志上
结构变得简单 聚合物泡沫是有效的隔热材料，应用范围从包装到制冷再到家庭隔热
中空通道通常是在聚合过程中形成的，但是现有的微调其结构的方法——或者将它们变成类似工作血管系统的东西——依赖于复杂的技术和仪器
在阿尔萨特-桑切斯的领导下，这个团队试图设计一种更简单的方法
“在我们的研究小组中，我们观察到这些出现在聚合物中的静脉状结构
贝克曼研究所的博士后研究员阿尔扎特-桑切斯说:“虽然一些科学家只是把这些通道看作是削弱聚合物的空洞，但我们把它们看作是创造有生产力的东西的机会。”
对于伊利诺伊大学的这个团队来说，自然发生的渠道不是警报的原因，而是科学灵感的来源——或者更确切地说，是生物灵感的来源
泡沫制造过程的视频(左)和泡沫的照片(右)描绘了具有低各向异性的样品，如血管通道的杂乱图案所示
学分:伊利诺伊大学香槟分校 倾听树叶 看着点缀在厄巴纳校园的橡树和枫树，研究人员试图为聚合泡沫配备一个血管系统，模仿树木的结构
将通道系统组织成平行结构使得流体能够在单一的预定方向上传输
贝克曼研究所所长、这项研究的主要研究者杰弗里·摩尔说:“想想树干。”
“水需要沿着正确的方向流动，从根部到叶子
它需要以最直接的方式从A点到B点；而不是指向C点或其他地方
" 因为一个方向的运动比另一个方向的运动更受青睐，所以这种结构被称为各向异性或不均匀
想象一下北行高速公路上相邻的车道；向东或向西旅行比随波逐流更具挑战性
以前，大多数嵌入泡沫材料的血管系统遵循各向同性结构，通道向各个方向均匀移动
如果说各向异性是一条高速公路，那么各向同性则是一个碰碰车在蜿蜒的多向路径上相互交织的竞技场
不仅仅是液体 对于一名材料科学家来说，一条单向的血管高速公路不仅能输送水，还能提供独特的机会
在这项研究中，阿尔扎特-桑切斯和他的团队展示了通道在预定方向上通过聚合物输送流体的用途；展望未来，制造定向流的能力可能涉及各种形式的能量
“具有各向异性的材料很重要
例如，各向异性热绝缘体可以在一个方向传导热量，在相反的方向阻挡热量
电、光甚至声音也是如此
阿尔扎特-桑切斯说:“根据你如何排列泡沫，声音可以向一个方向传播，但它会被阻挡在另一个方向。”
为了确定一种控制泡沫材料多孔结构的方法，特别是力的各向异性，研究小组分析了产生聚合物的化学反应的每一个成分
泡沫制造过程的视频(左)和泡沫的照片(右)描绘了具有高各向异性的样品，如血管通道的有组织的平行图案所示
学分:伊利诺伊大学香槟分校 反应开始于结合一种叫做双环戊二烯或DCPD的单体；催化剂；和发泡剂，以帮助最终产品具有泡沫状的稠度
这种混合物被称为树脂，被倒入试管中
加热试管会引发正面聚合，这是一种将树脂固化或硬化成泡沫状多孔固体的反应
最终产品是聚DCPD，原始单体DCPD已经聚合
该反应的三种成分正在接受审查:所用发泡剂的类型；发泡剂的浓度；和树脂的胶凝时间
凝胶化是由背景聚合引起的，是指在触发正面聚合之前的延迟时间，此时室温树脂在试管中逐渐呈现柔软的凝胶状稠度
研究人员发现，树脂的粘度(或流动性，凝胶化过程中软化的直接结果)是最终产品各向异性的最强指标
换句话说，增加或减少凝胶化时间能够直接控制泡沫的多孔结构
摩尔说:“这项工作提供了一种快速有效的方法，从简单的组件和过程中制造定向血管结构。”
该团队的全因子实验设计包括有条不紊地测试发泡剂、浓度和胶凝时间的100种不同组合，并测量每种变化达到的各向异性、硬度和孔隙率水平
合作努力 用x光显微计算机断层成像分析每个泡沫样品
聚合物泡沫与显微CT成像的新型配对——这是一种典型的用于分析硬材料的技术——是一个独特的合作成果，作者之一是机械科学与工程副教授Mariana Kersh
克什说:“贝克曼做得很好的是鼓励一种文化，在这种文化中，我们认识到我们可以互相学习很多东西，即使我们的应用程序不同。”
“这种交流和愿意了解除了你的核心领域之外的东西意味着，我们在骨骼中的工具可以用来表征泡沫中的孔隙的想法突然变得明显和直观
" 除了阿尔扎特-桑切斯、摩尔和克什之外，这项研究的合著者还包括研究生研究助理摩根·森瑟、最近的材料科学与工程研究生迈克尔·罗加尔斯基和南希·索托斯，后者是UIUC的梅贝尔·利兰·斯旺隆德材料科学与工程捐赠主席
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