初原載于 工大材料匯????2020-04-10

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自? ? ? ? 愈

相信不少同學(xué)都看過漫威的電影漫畫，被里面的英雄人物所圈粉，想像著有朝一日可以像雷神一樣操控雷電，像浩克一樣擁有無敵的力量和耐力、以及飛一樣跳躍力，像鋼鐵俠一樣有錢……

不過，我想肯定會有人羨慕金剛狼和死侍的能力吧，這種能力我一直想擁有，那就是他們超強的自愈能力?。≡囅胍幌掳?，如果你的皮膚破損之后能夠自動愈合，那將會是一件多么酷的事情?。。?！

所以今天我們來聊一聊有關(guān)自愈合材料的那些事。

自愈

在談自愈合材料之前，我們必須要清楚一個道理，自然界當(dāng)中沒有任何一種物質(zhì)能夠持續(xù)永恒，所以我們生活中的材料會以以下這三種形式失效：

老化：大多數(shù)材料會在使用一段時間之后發(fā)生退化。

磨損：大多數(shù)材料會在持續(xù)使用之后發(fā)生磨損。

斷裂：一些材料會在外力條件下突然發(fā)生斷裂。

對于材料學(xué)家而言，自發(fā)斷裂是最危險的失效形式，也是最難追蹤的。通過定期的檢查和保養(yǎng)，我們很容易發(fā)現(xiàn)腐爛的木頭或鐵生銹，而要發(fā)現(xiàn)材料重要組成部分中的細(xì)小裂紋則是非常困難的。一些技術(shù)如無損檢測等在例行檢查期間容易發(fā)現(xiàn)潛在的問題，但是如果材料在實際使用過程中發(fā)生斷裂，這些技術(shù)就顯得捉襟見肘。我們真正需要的是可以向人體一樣的人造材料：能感知斷裂，并能夠及時進(jìn)行阻止，然后盡快進(jìn)行自我修復(fù)。就拿太空船船體來說吧，太空船船體的損害通常從細(xì)小的表面裂縫開始，這些細(xì)縫人眼是無法發(fā)現(xiàn)的。這些微小的裂縫還會出現(xiàn)在材料表面的下方，這些地方比較隱蔽，根本無法看到。這些裂縫形成后會不斷擴(kuò)大，這勢必削弱材料的承受能力，直到最后斷裂。為了防止這些細(xì)縫擴(kuò)大，我們就需要研發(fā)相關(guān)的自愈合材料，靠它的自愈合能力來延長太空船的使用壽命。

所以說，對于自愈合材料的研究必不可少。

東華大學(xué)纖維材料改性國家重點實驗室的游正偉研究團(tuán)隊研制出一種新型自愈合材料，該材料在受損后能夠像人類皮膚一樣自行愈合，恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)和性能，相關(guān)成果于2019 年 4 月 12 日發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。

研究團(tuán)隊提出一種基于銅配位丁二酮肟氨酯彈性體 [Cu(II)– dimethylglyoxime–urethane‐complex‐based polyurethane elastomer，（Cu-DOU-CPU）] 的 策 略。Cu-DOU-CPU 中同時存在動態(tài)共價 鍵（肟氨酯鍵）和動態(tài)非共價鍵（金屬配位鍵和氫鍵），可以同時提升材料自愈合性能和力學(xué)性能。Cu-DOU-CPU 的強度和韌性分別達(dá)到 14.8 MPa 和 87.0 MJ/m3，在室溫下即時自愈 強度可達(dá) 1.84 MPa。

蘇州大學(xué)鮑曉光團(tuán)隊通過密度 泛函理論計算對其中的分子機制做了解釋，指出肟氨酯鍵、金屬配位鍵和氫鍵的協(xié)同作用使得材料具有一系列 優(yōu)異性能。其中銅離子的配位作用 起到關(guān)鍵作用：配位產(chǎn)生的動態(tài)交聯(lián) 顯著增強材料的力學(xué)性能，同時銅離子的配位提升了肟氨酯鍵的動態(tài)性，使材料具有更好的自愈合性能。

接著作者利用該材料復(fù)合液態(tài)金屬構(gòu)建了高拉伸自愈合導(dǎo)線。切斷的導(dǎo)線在室溫下9分鐘就可以基本愈合，在再拉伸2.5倍的情況下，仍然能保持電路的導(dǎo)通，展現(xiàn)了該自修復(fù)材料在磅礴興起的可拉伸電子領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景。

該工作還有一個突出的優(yōu)點，Cu-DOU-CPU合成所使用的原料均為易得的工業(yè)品，反應(yīng)采用“一鍋法”，簡便易行，非常有利于大規(guī)模使用。更進(jìn)一步，該工作提出的利用金屬配位作用來同時提升力學(xué)和自愈合性能的策略，可以拓展到其它金屬離子和動態(tài)鍵體系，為研制高性能的自愈合材料提供了全新的思路。

自愈

到目前為止，人們合成的自愈合材料已經(jīng)很多了，除金屬合金外，陸續(xù)合成了具有自愈合的陶瓷、聚合物、凝膠等。自愈合材料主要分熱塑性自愈合材料和熱固性自愈合材料。不管是熱塑型自愈合材料還是熱固型自愈合材料現(xiàn)在都得到了廣泛地應(yīng)用，如電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、通信領(lǐng)域、建材領(lǐng)域等。

那么下面我們簡單介紹一下常見的熱塑型自愈合材料的愈合機理?

（1）分子互擴(kuò)散導(dǎo)致的自愈合

熱塑性聚合物通過分子相互擴(kuò)散裂紋愈合在20?世紀(jì)80?年代被廣泛研究。且研究覆蓋了非晶聚合物、半結(jié)晶聚合物、嵌段共聚物和纖維增強復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個相同的聚合物在高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時進(jìn)行接觸，會導(dǎo)致兩者的接口逐漸消失，就像界面上的分子擴(kuò)散裂紋愈合一樣，這使得聚合物界面的力學(xué)強度增大。自愈合過程在真空或大氣壓下進(jìn)行，愈合時間從幾分鐘到幾年不等，而許多鏈段（不是整個鏈）相互擴(kuò)散被發(fā)現(xiàn)是其中最有可能的自愈合機理。

（2）由光引發(fā)的自愈合

第一個由光引發(fā)自愈合的例子是由Chung?等人提出的。應(yīng)用光的環(huán)加成反應(yīng)產(chǎn)生環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)，所以光化學(xué)[2+2]的環(huán)加成反應(yīng)被選作一種愈合機理，而且這一機理也得到了驗證，結(jié)果表明，只有在波長吻合的情況下才發(fā)生反應(yīng)，這一情況也能證明此愈合機理是由光引發(fā)的。

（3）通過形成可逆鍵的自愈合

???熱塑性塑料鏈中的流動性也可以通過在環(huán)境溫度下在聚合物基中引入可逆鍵來治愈斷裂。這提供了一種可代替紫外線或催化劑引發(fā)的共價鍵愈合的方法，并利用氫或離子鍵治愈受損的聚合物網(wǎng)絡(luò)

??還有納米粒子自愈合和混合磨損自愈合材料等的愈合機理，這里我就不一一列舉了。

自愈

看到這里，想必大家都對自愈合材料有了一定的了解，不難想象，自愈合材料將具有非常廣泛的應(yīng)用前景，從橋梁、建筑到汽車等方方面面均有可能。第一款可大量進(jìn)行生產(chǎn)的自愈合材料將是涂層等，可更好地適應(yīng)天氣變化等。其他更加先進(jìn)的自愈合材料也將出現(xiàn)，例如具有自我修復(fù)密封件和墊圈的管道等。將來有一天，我們甚至?xí)碛锌梢孕迯?fù)人體部位的材料，倘若真能實現(xiàn)的話，這將會是真正意義上的完整的循環(huán)??！

本期問題：

Q1：蘇州大學(xué)鮑曉光團(tuán)隊通過密度泛函理論計算對研究團(tuán)隊提出的基于銅配位丁二酮肟氨酯彈性體策略的分子機制的解釋是？

蘇州大學(xué)鮑曉光團(tuán)隊通過密度泛函理論計算對其中的分子機制做了解釋，指出肟氨酯鍵、金屬配位鍵和氫鍵的協(xié)同作用使得材料具有一系列優(yōu)異性能。其中銅離子的配位作用起到關(guān)鍵作用：配位產(chǎn)生的動態(tài)交聯(lián)顯著增強材料的力學(xué)性能，同時銅離子的配位提升了肟氨酯鍵的動態(tài)性，使材料具有更好的自愈合性能。

Q2：納米粒子填充裂縫的特點可能有哪些？

使用簡便，且效果較好

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ——Вперед, товарищи

參考資料：

材料與測試網(wǎng) 東華大學(xué)游正偉教授團(tuán)隊《Adv. Mater.》：超強韌自愈合彈性體

百度文庫 自愈合材料的合成與表征

百度文庫 自愈合材料

360百科 自愈合材料

個人圖書館 我能自我修復(fù)！我是自愈合材料！

中國知網(wǎng) 具有前所未有力學(xué)性能的自愈合材料

本文圖文提供：張昭明

本文圖文編輯：許心雨

時任圖文審核：于世龍 劉孟茜

時任責(zé)任編輯：王雪篪

時任總編輯：李曉萌