——朱锦 中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员

 

　

 

　　从钢铁侠可以自动愈合的战衣，到阿丽塔全身可拉伸的电子器件组装，自修复材料在科幻作品中十分常见。

 

　　自修复材料又称自愈合材料，是一种受损后能够进行自我修复的新型材料。“自修复材料的特点是能够识别损害的出现，并立即进行自我修复。这类材料可在确保物品使用安全性和完整性的同时，降低维护成本、延长物品寿命。”中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员朱锦近日在接受科技日报记者采访时说。从电子产品到汽车飞机，再到建筑建材，自修复材料的应用前景十分广阔。那么，关于自修复材料有哪些创新性研究，其产业化前景如何？

 

　　内含可逆动态键，能进行自我修复

 

　　在使用过程中，物品会不可避免地出现损伤，严重时会产生较大尺寸的裂缝并断裂，影响材料的使用效率与寿命。以自修复材料制造的物品出现损伤后，不需要或者只需很少的干预，破损处就能自动修复。受生物学中的自修复现象启发，人们开始设计自修复高分子材料，这类材料可以自行发现裂纹，并通过一定机理将裂纹重新填补、自行修复，有效延长材料的使用寿命，具有重要的科学意义和应用价值。

 

　　朱锦表示，物品的损坏通常从细小的表面裂缝开始，这些细缝人眼是无法发现的。这些裂缝形成后会不断扩大，这将削弱材料的原始性能，直到最后完全无法使用。而自修复材料能够很好地避免上述情况的出现，将裂缝扼杀在摇篮里。

 

　　根据修复方式的不同，可以将自修复材料分为外援型自修复与本征型自修复两类。外援型自修复指通过在材料内部或表面添加功能性载体实现自修复，其修复效率和载体与基材间的相容性、载体的分散均匀性、载体中修复剂的含量密切相关。液芯纤维型自修复高分子材料就是典型的外援型自修复材料，其修复机理是在纤维中包裹可反应的修复剂，当材料破损后，修复剂外溢到基体材料中，通过修复剂和基体材料之间的固化交联反应对裂纹进行填充和修复。

 

　　本征型自修复指利用材料内部具有能进行可逆性化学反应的分子结构实现自我修复，这类修复方式常常需要光、热、电磁、湿度等特定条件引发。资料显示，目前已有基于氢键、配位键、二硫键和硼酸酯键等多种本征型自修复聚硅氧烷材料，在电子封装、柔性器件、智能涂层等领域有较广阔的应用前景。

 

　　朱锦告诉记者，自修复材料之所以能够“破镜重圆”，是因为这些材料内部含有可逆动态键，即材料发生断裂时，这些键互相之间能够重新形成键合作用，从而在宏观上实现自我修复。“可逆动态键大体可分成以下三类，第一类是范德华力，第二类是可逆共价键，第三类是超分子动态作用。”朱锦说。

 

　　范德华力一般指分子间的作用力，通常是较弱的。但当范德华力聚集在一个聚合物内且按同一方向排列时，便可累积足够大的力量使材料进行自修复。可逆共价键是一类能在特定条件下实现可逆断裂与重组的共价键。在聚合物基体中引入可逆共价键，在外界条件的刺激下，聚合物可快速、高效自修复，这有助于延长聚合物材料的使用寿命。超分子动态作用是一种非共价键作用，大量的超分子聚集在一起可以形成机械强度高的动态系统，基于超分子动态作用构筑自修复材料也获得了学界的关注。

 

　　技术不断深入，创新成果层出不穷

 

　　随着研究不断深入、技术不断进步，自修复材料领域涌现出越来越多的创新成果，自修复材料种类也不断增多。此前，中国科学院宁波材料技术与工程研究所王立平研究员和赵海超研究员以天然蛛丝和珍珠为灵感，通过协同将柔性二硫键和动态六氢键加入聚氨酯(PU)中，开发出一种具有超高强度和韧性的室温自修复超分子材料。同时，在具有动态多氢键的氧化石墨烯纳米片与PU基体之间的界面引入了丰富的氢键，从而提供了强大的界面相互作用。这种具有反向人工珍珠层结构的含脲PU材料具有创纪录的机械强度和韧性，优异的拉伸性能和快速的室温自修复能力。

 

　　东南大学智能材料研究院院长李全教授团队利用四芳基琥珀腈(TASN)和聚硅氧烷基液晶弹性体(LCE)，合成TASN-LCE材料。他们用这种材料构建的海星状软驱动器，不仅可以随着温度变化而变形，还能自愈合、再加工。

 

　　近期，朱锦团队联合韩国科研团队根据触觉细胞的机械刺激响应原理，模拟真实人体皮肤的自愈功能和生物离子信号传递机制，设计合成了一种含有动态二硫键功能基团和氯取代基的新型热塑性聚氨酯材料，这一材料拥有像人体皮肤一样的弹性且具有自我修复能力，灵敏的触觉功能可以随着伤口的愈合而恢复。

 

　　“为了学习人体的‘离子信号传输机制’以进行外力的感知，同时匹配人体感知所要求的高灵敏度和耐用性，我们在自修复聚氨酯的结构中导入了‘离子抓取位点’，合理调控硬相区和软相区的结构比例，并将离子液体填入作为离子传输介质，最终得到了一系列耐用的自修复聚氨酯材料。”朱锦说。

 

　　尚处实验室阶段，但未来前景广阔

 

　　从研发屏幕折痕自我修复显示技术，到研制形状记忆合金自修复材料；从自修复的陶瓷有望提升飞行安全性，到力学可调的系列自愈合聚氨酯弹性体改善手术效果，自修复材料的使用场景与应用领域十分广阔。

 

　　朱锦说：“车胎被尖锐物品刺穿是常有的事。但是如果内胎是由自修复材料制备的话，那么车胎将会自动恢复初始性能，补胎将会退出我们的生活。未来，具有自修复功能的车衣膜可以使汽车表面划痕自动消失，降低维护成本。”朱锦表示，目前自修复材料多处于科研阶段，鲜有能够实现产业化的企业。“但是英国知名研究公司IDTechEx发布了业界首份关于自修复材料技术及市场的综合报告，到2042年，自修复材料的市场将达到数十亿美元。”朱锦说。

 

　　朱锦告诉记者，在他看来，未来有前景的研究领域可能在如下几个方面：一是新型自修复的动态键的结构设计与性能研究。争取开发新的动态键，在保证材料原始性能的同时，力求自愈合效率的最大化。二是自修复材料的多功能化研究，自修复材料在使用过程中，往往需要兼顾其他性能，例如防汗、抗菌、生物相容等。多功能的集成化，有助于增加自修复材料的应用价值和场景。三是自修复材料的综合性能与应用场景的匹配性研究。“我们需要根据应用场景的实际情况，来设计自修复材料需要具备的其他性能，力求材料使用寿命的最大化和高度匹配性。只有实现具体应用，才能体现材料的价值。”朱锦说。