從鋼鐵俠可以自動(dòng)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(fù)材料在科幻作品中十分常見(jiàn)。
(相關(guān)資料圖)
自修復(fù)材料又稱自愈合材料，是一種受損后能夠進(jìn)行自我修復(fù)的新型材料?！白孕迯?fù)材料的特點(diǎn)是能夠識(shí)別損害的出現(xiàn)，并立即進(jìn)行自我修復(fù)。這類材料可在確保物品使用安全性和完整性的同時(shí)，降低維護(hù)成本、延長(zhǎng)物品壽命?！敝袊?guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員朱錦近日在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說(shuō)。從電子產(chǎn)品到汽車飛機(jī)，再到建筑建材，自修復(fù)材料的應(yīng)用前景十分廣闊。那么，關(guān)于自修復(fù)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(dòng)態(tài)鍵，能進(jìn)行自我修復(fù)
在使用過(guò)程中，物品會(huì)不可避免地出現(xiàn)損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(fù)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(yù)，破損處就能自動(dòng)修復(fù)。受生物學(xué)中的自修復(fù)現(xiàn)象啟發(fā)，人們開(kāi)始設(shè)計(jì)自修復(fù)高分子材料，這類材料可以自行發(fā)現(xiàn)裂紋，并通過(guò)一定機(jī)理將裂紋重新填補(bǔ)、自行修復(fù)，有效延長(zhǎng)材料的使用壽命，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
朱錦表示，物品的損壞通常從細(xì)小的表面裂縫開(kāi)始，這些細(xì)縫人眼是無(wú)法發(fā)現(xiàn)的。這些裂縫形成后會(huì)不斷擴(kuò)大，這將削弱材料的原始性能，直到最后完全無(wú)法使用。而自修復(fù)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(fù)方式的不同，可以將自修復(fù)材料分為外援型自修復(fù)與本征型自修復(fù)兩類。外援型自修復(fù)指通過(guò)在材料內(nèi)部或表面添加功能性載體實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，其修復(fù)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(fù)劑的含量密切相關(guān)。液芯纖維型自修復(fù)高分子材料就是典型的外援型自修復(fù)材料，其修復(fù)機(jī)理是在纖維中包裹可反應(yīng)的修復(fù)劑，當(dāng)材料破損后，修復(fù)劑外溢到基體材料中，通過(guò)修復(fù)劑和基體材料之間的固化交聯(lián)反應(yīng)對(duì)裂紋進(jìn)行填充和修復(fù)。
本征型自修復(fù)指利用材料內(nèi)部具有能進(jìn)行可逆性化學(xué)反應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，這類修復(fù)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(fù)聚硅氧烷材料，在電子封裝、柔性器件、智能涂層等領(lǐng)域有較廣闊的應(yīng)用前景。
朱錦告訴記者，自修復(fù)材料之所以能夠“破鏡重圓”，是因?yàn)檫@些材料內(nèi)部含有可逆動(dòng)態(tài)鍵，即材料發(fā)生斷裂時(shí)，這些鍵互相之間能夠重新形成鍵合作用，從而在宏觀上實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)?！翱赡鎰?dòng)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(jià)鍵，第三類是超分子動(dòng)態(tài)作用。”朱錦說(shuō)。
范德華力一般指分子間的作用力，通常是較弱的。但當(dāng)范德華力聚集在一個(gè)聚合物內(nèi)且按同一方向排列時(shí)，便可累積足夠大的力量使材料進(jìn)行自修復(fù)?？赡婀矁r(jià)鍵是一類能在特定條件下實(shí)現(xiàn)可逆斷裂與重組的共價(jià)鍵。在聚合物基體中引入可逆共價(jià)鍵，在外界條件的刺激下，聚合物可快速、高效自修復(fù)，這有助于延長(zhǎng)聚合物材料的使用壽命。超分子動(dòng)態(tài)作用是一種非共價(jià)鍵作用，大量的超分子聚集在一起可以形成機(jī)械強(qiáng)度高的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，基于超分子動(dòng)態(tài)作用構(gòu)筑自修復(fù)材料也獲得了學(xué)界的關(guān)注。
技術(shù)不斷深入，創(chuàng)新成果層出不窮
隨著研究不斷深入、技術(shù)不斷進(jìn)步，自修復(fù)材料領(lǐng)域涌現(xiàn)出越來(lái)越多的創(chuàng)新成果，自修復(fù)材料種類也不斷增多。此前，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)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(guò)協(xié)同將柔性二硫鍵和動(dòng)態(tài)六氫鍵加入聚氨酯（PU）中，開(kāi)發(fā)出一種具有超高強(qiáng)度和韌性的室溫自修復(fù)超分子材料。同時(shí)，在具有動(dòng)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(qiáng)大的界面相互作用。這種具有反向人工珍珠層結(jié)構(gòu)的含脲PU材料具有創(chuàng)紀(jì)錄的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，優(yōu)異的拉伸性能和快速的室溫自修復(fù)能力。
東南大學(xué)智能材料研究院院長(zhǎng)李全教授團(tuán)隊(duì)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(gòu)建的海星狀軟驅(qū)動(dòng)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合韓國(guó)科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)觸覺(jué)細(xì)胞的機(jī)械刺激響應(yīng)原理，模擬真實(shí)人體皮膚的自愈功能和生物離子信號(hào)傳遞機(jī)制，設(shè)計(jì)合成了一種含有動(dòng)態(tài)二硫鍵功能基團(tuán)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(fù)能力，靈敏的觸覺(jué)功能可以隨著傷口的愈合而恢復(fù)。
“為了學(xué)習(xí)人體的‘離子信號(hào)傳輸機(jī)制’以進(jìn)行外力的感知，同時(shí)匹配人體感知所要求的高靈敏度和耐用性，我們?cè)谧孕迯?fù)聚氨酯的結(jié)構(gòu)中導(dǎo)入了‘離子抓取位點(diǎn)’，合理調(diào)控硬相區(qū)和軟相區(qū)的結(jié)構(gòu)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(fù)聚氨酯材料。”朱錦說(shuō)。
尚處實(shí)驗(yàn)室階段，但未來(lái)前景廣闊
從研發(fā)屏幕折痕自我修復(fù)顯示技術(shù)，到研制形狀記憶合金自修復(fù)材料；從自修復(fù)的陶瓷有望提升飛行安全性，到力學(xué)可調(diào)的系列自愈合聚氨酯彈性體改善手術(shù)效果，自修復(fù)材料的使用場(chǎng)景與應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。
朱錦說(shuō)：“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(fù)材料制備的話，那么車胎將會(huì)自動(dòng)恢復(fù)初始性能，補(bǔ)胎將會(huì)退出我們的生活。未來(lái)，具有自修復(fù)功能的車衣膜可以使汽車表面劃痕自動(dòng)消失，降低維護(hù)成本?！敝戾\表示，目前自修復(fù)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)?！暗怯?guó)知名研究公司IDTechEx發(fā)布了業(yè)界首份關(guān)于自修復(fù)材料技術(shù)及市場(chǎng)的綜合報(bào)告，到2042年，自修復(fù)材料的市場(chǎng)將達(dá)到數(shù)十億美元?！敝戾\說(shuō)。
朱錦告訴記者，在他看來(lái)，未來(lái)有前景的研究領(lǐng)域可能在如下幾個(gè)方面：一是新型自修復(fù)的動(dòng)態(tài)鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究。爭(zhēng)取開(kāi)發(fā)新的動(dòng)態(tài)鍵，在保證材料原始性能的同時(shí)，力求自愈合效率的最大化。二是自修復(fù)材料的多功能化研究，自修復(fù)材料在使用過(guò)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(fù)材料的應(yīng)用價(jià)值和場(chǎng)景。三是自修復(fù)材料的綜合性能與應(yīng)用場(chǎng)景的匹配性研究?！拔覀冃枰鶕?jù)應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際情況，來(lái)設(shè)計(jì)自修復(fù)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(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用，才能體現(xiàn)材料的價(jià)值。”朱錦說(shuō)。
