自修復材料的特點是能夠識別損害的出現(xiàn)，并立即進行自我修復。這類材料可在確保物品使用安全性和完整性的同時，降低維護成本、延長物品壽命。
——朱錦 中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員
【走近超材料②】
(資料圖片)
從鋼鐵俠可以自動愈合的戰(zhàn)衣，到阿麗塔全身可拉伸的電子器件組裝，自修復材料在科幻作品中十分常見。
自修復材料又稱自愈合材料，是一種受損后能夠進行自我修復的新型材料。“自修復材料的特點是能夠識別損害的出現(xiàn)，并立即進行自我修復。這類材料可在確保物品使用安全性和完整性的同時，降低維護成本、延長物品壽命。”中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員朱錦近日在接受科技日報記者采訪時說。從電子產(chǎn)品到汽車飛機，再到建筑建材，自修復材料的應用前景十分廣闊。那么，關于自修復材料有哪些創(chuàng)新性研究，其產(chǎn)業(yè)化前景如何?
內(nèi)含可逆動態(tài)鍵，能進行自我修復
在使用過程中，物品會不可避免地出現(xiàn)損傷，嚴重時會產(chǎn)生較大尺寸的裂縫并斷裂，影響材料的使用效率與壽命。以自修復材料制造的物品出現(xiàn)損傷后，不需要或者只需很少的干預，破損處就能自動修復。受生物學中的自修復現(xiàn)象啟發(fā)，人們開始設計自修復高分子材料，這類材料可以自行發(fā)現(xiàn)裂紋，并通過一定機理將裂紋重新填補、自行修復，有效延長材料的使用壽命，具有重要的科學意義和應用價值。
朱錦表示，物品的損壞通常從細小的表面裂縫開始，這些細縫人眼是無法發(fā)現(xiàn)的。這些裂縫形成后會不斷擴大，這將削弱材料的原始性能，直到最后完全無法使用。而自修復材料能夠很好地避免上述情況的出現(xiàn)，將裂縫扼殺在搖籃里。
根據(jù)修復方式的不同，可以將自修復材料分為外援型自修復與本征型自修復兩類。外援型自修復指通過在材料內(nèi)部或表面添加功能性載體實現(xiàn)自修復，其修復效率和載體與基材間的相容性、載體的分散均勻性、載體中修復劑的含量密切相關。液芯纖維型自修復高分子材料就是典型的外援型自修復材料，其修復機理是在纖維中包裹可反應的修復劑，當材料破損后，修復劑外溢到基體材料中，通過修復劑和基體材料之間的固化交聯(lián)反應對裂紋進行填充和修復。
本征型自修復指利用材料內(nèi)部具有能進行可逆性化學反應的分子結構實現(xiàn)自我修復，這類修復方式常常需要光、熱、電磁、濕度等特定條件引發(fā)。資料顯示，目前已有基于氫鍵、配位鍵、二硫鍵和硼酸酯鍵等多種本征型自修復聚硅氧烷材料，在電子封裝、柔性器件、智能涂層等領域有較廣闊的應用前景。
朱錦告訴記者，自修復材料之所以能夠“破鏡重圓”，是因為這些材料內(nèi)部含有可逆動態(tài)鍵，即材料發(fā)生斷裂時，這些鍵互相之間能夠重新形成鍵合作用，從而在宏觀上實現(xiàn)自我修復。“可逆動態(tài)鍵大體可分成以下三類，第一類是范德華力，第二類是可逆共價鍵，第三類是超分子動態(tài)作用。”朱錦說。
范德華力一般指分子間的作用力，通常是較弱的。但當范德華力聚集在一個聚合物內(nèi)且按同一方向排列時，便可累積足夠大的力量使材料進行自修復。可逆共價鍵是一類能在特定條件下實現(xiàn)可逆斷裂與重組的共價鍵。在聚合物基體中引入可逆共價鍵，在外界條件的刺激下，聚合物可快速、高效自修復，這有助于延長聚合物材料的使用壽命。超分子動態(tài)作用是一種非共價鍵作用，大量的超分子聚集在一起可以形成機械強度高的動態(tài)系統(tǒng)，基于超分子動態(tài)作用構筑自修復材料也獲得了學界的關注。
技術不斷深入，創(chuàng)新成果層出不窮
隨著研究不斷深入、技術不斷進步，自修復材料領域涌現(xiàn)出越來越多的創(chuàng)新成果，自修復材料種類也不斷增多。此前，中國科學院寧波材料技術與工程研究所王立平研究員和趙海超研究員以天然蛛絲和珍珠為靈感，通過協(xié)同將柔性二硫鍵和動態(tài)六氫鍵加入聚氨酯(PU)中，開發(fā)出一種具有超高強度和韌性的室溫自修復超分子材料。同時，在具有動態(tài)多氫鍵的氧化石墨烯納米片與PU基體之間的界面引入了豐富的氫鍵，從而提供了強大的界面相互作用。這種具有反向人工珍珠層結構的含脲PU材料具有創(chuàng)紀錄的機械強度和韌性，優(yōu)異的拉伸性能和快速的室溫自修復能力。
東南大學智能材料研究院院長李全教授團隊利用四芳基琥珀腈(TASN)和聚硅氧烷基液晶彈性體(LCE)，合成TASN-LCE材料。他們用這種材料構建的海星狀軟驅(qū)動器，不僅可以隨著溫度變化而變形，還能自愈合、再加工。
近期，朱錦團隊聯(lián)合韓國科研團隊根據(jù)觸覺細胞的機械刺激響應原理，模擬真實人體皮膚的自愈功能和生物離子信號傳遞機制，設計合成了一種含有動態(tài)二硫鍵功能基團和氯取代基的新型熱塑性聚氨酯材料，這一材料擁有像人體皮膚一樣的彈性且具有自我修復能力，靈敏的觸覺功能可以隨著傷口的愈合而恢復。
“為了學習人體的‘離子信號傳輸機制’以進行外力的感知，同時匹配人體感知所要求的高靈敏度和耐用性，我們在自修復聚氨酯的結構中導入了‘離子抓取位點’，合理調(diào)控硬相區(qū)和軟相區(qū)的結構比例，并將離子液體填入作為離子傳輸介質(zhì)，最終得到了一系列耐用的自修復聚氨酯材料。”朱錦說。
尚處實驗室階段，但未來前景廣闊
從研發(fā)屏幕折痕自我修復顯示技術，到研制形狀記憶合金自修復材料;從自修復的陶瓷有望提升飛行安全性，到力學可調(diào)的系列自愈合聚氨酯彈性體改善手術效果，自修復材料的使用場景與應用領域十分廣闊。
朱錦說：“車胎被尖銳物品刺穿是常有的事。但是如果內(nèi)胎是由自修復材料制備的話，那么車胎將會自動恢復初始性能，補胎將會退出我們的生活。未來，具有自修復功能的車衣膜可以使汽車表面劃痕自動消失，降低維護成本。”朱錦表示，目前自修復材料多處于科研階段，鮮有能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)。“但是英國知名研究公司IDTechEx發(fā)布了業(yè)界首份關于自修復材料技術及市場的綜合報告，到2042年，自修復材料的市場將達到數(shù)十億美元。”朱錦說。
朱錦告訴記者，在他看來，未來有前景的研究領域可能在如下幾個方面：一是新型自修復的動態(tài)鍵的結構設計與性能研究。爭取開發(fā)新的動態(tài)鍵，在保證材料原始性能的同時，力求自愈合效率的最大化。二是自修復材料的多功能化研究，自修復材料在使用過程中，往往需要兼顧其他性能，例如防汗、抗菌、生物相容等。多功能的集成化，有助于增加自修復材料的應用價值和場景。三是自修復材料的綜合性能與應用場景的匹配性研究。“我們需要根據(jù)應用場景的實際情況，來設計自修復材料需要具備的其他性能，力求材料使用壽命的最大化和高度匹配性。只有實現(xiàn)具體應用，才能體現(xiàn)材料的價值。”朱錦說。（科技日報）
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