吉多·库斯特斯 (Guido Kusters) 创建了数学模型来辅助开发智能聚合物，并于 5 月 29 日在埃因霍温理工大学应用物理与科学教育系以优异成绩完成了其博士论文答辩。

“你今天很可能已经使用过一种或多种智能聚合物，”库斯特斯说。

“就像发胶。当你把它从管子里挤出来时，它很柔软，很容易塑形，但一旦粘在头发上，它就会变硬，这样你的发型就能在一天的剩余时间里保持原样。这些材料本质上是柔软的，就像橡皮筋、牙膏和任何塑料包装一样。”

Kusters 解释道，软质材料通常具有明确的功能。例如，塑料包装将产品与周围环境隔离开来。但正是这些材料易于变形的特点，使它们非常适合更复杂的功能，例如，它们需要适应环境的变化。

然后这些材料被称为软响应材料，库斯特斯说，这就是他过去四年来花费大量时间进行广泛研究的内容。

可访问方法

库斯特斯没有在实验室里花几个小时，而是主要在笔记本电脑上工作。他的使命很明确：他想利用数学模型提高智能聚合物的开发效率。但做实验难道不能让我们学到更多吗?

“如果在实验室里做这件事真的那么容易，我们就会这么做，”库斯特斯强调道。“我们经常要处理非常珍贵的材料，并进行冗长的测试。你不能快速地试验一些东西。特别是在优化智能聚合物时，计算模型将更快地指示出可以改进材料的方法。”

库斯特斯说，他并不是第一个尝试将智能聚合物融入模型的人。但他的方法很独特，部分原因是他的项目是一个大型研究联盟——软先进材料的一部分。这涉及多所大学和研究机构的合作，还有几个工业合作伙伴。

“在早期模型中，我们以数字方式使用了更为复杂的机制。这使得它非常精确，但每次都需要进行新的复杂计算。我们的新建模方法更容易获得，并且具有普遍适用性。这意味着它也更容易在工业中使用。”

肥料颗粒

库斯特斯伸手去拿桌子上的一个小袋子，它就在他那本厚厚的论文旁边。

“制作模型是一回事，但我还想证明这种模型可以用于许多智能聚合物。从相对简单的聚合物材料到更多的生物结构。我确实研究了很广泛的领域。”

库斯特打开袋子，取出一些小颗粒。“合作伙伴 Corbion 生产这种尿素颗粒，用于大规模农业。通常，营养物质会同时释放，但对于植物和环境来说，逐渐释放更为可取。这可以通过在颗粒上涂上智能聚合物来实现。”

他说，这个想法听起来很简单。“在潮湿的环境中，聚合物层会膨胀，使其变得多孔。这使得营养物质溶解在水中并被释放。但最大的挑战是让这些聚合物层的释放曲线适应农作物的需求。为此，我们需要更好地了解聚合物涂层的行为。”

Kusters 的模型提供了所需的见解。“肥料颗粒必须在整个植物周期内持续释放养分，至少为六个月。这意味着实际实验非常耗时。我们分析了哪些机制对释放很重要。涂层的厚度、水如何流过通道、我们使用的聚合物的结晶程度。我的模型允许您修改聚合物涂层并立即看到释放将如何变化。”

弯曲的大脑

库斯特斯在他的模型中加入了比尿素颗粒更多的东西。“我受到了 CEC 研究小组“刺激响应功能材料和设备”正在开发的智能聚合物的启发，例如可以独立清洁太阳能电池的振动涂层——甚至可能是火星探测器。这背后究竟有什么机制?我们如何预先编程某些动作?”

他在哈佛大学呆了四年，参与研发一种基于生物组织的新材料，也就是微型大脑。这个项目是他在牛津大学硕士实习期间通过建立的人脉认识的。

“芯片上的人造微型大脑的边缘会随着时间的推移而变得更加皱褶。这些皱纹对于我们弯曲的大脑的正常运作至关重要。一种遗传性疾病——无脑畸形，字面意思是‘光滑的大脑’——可以减少皱纹，这可能会导致智力障碍。我们希望利用我们的模型深入了解大脑的皱纹，甚至可能用它来在早期诊断这类障碍。”然而，他强调说，“我说的是未来。”

库斯特斯说，他的论文描述了表面上广泛的应用范围，“这绝对是有充分理由的。我们证明了你可以使用一种相对通用的方法来描述各种各样的软响应材料。而且，至少同样重要的是，你可以随后从中得出有用的结论。所以，对于那些想知道我们为什么要建模的人来说，这就是我们模型的力量所在。”

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