神奇的自修復(fù)材料

姚丁楊

自修復(fù)材料，顧名思義，就是一種在物體受損時(shí)能夠進(jìn)行自我修復(fù)的材料。盡管關(guān)于自修復(fù)材料的設(shè)想可以追溯到20世紀(jì)60年代，然而其在技術(shù)上的突破直到21世紀(jì)才得以凸顯。

我們都知道，材料在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生損傷和微裂紋，并由此引發(fā)宏觀裂縫而發(fā)生斷裂。如果我們能對(duì)材料的這種早期的損傷或者裂紋進(jìn)行修復(fù)，那么對(duì)于消除安全隱患、增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和延長(zhǎng)材料的使用壽命則具有重大意義。然而，材料產(chǎn)生微裂紋的第一時(shí)間是不易被察覺的，因此，實(shí)現(xiàn)材料的自我修復(fù)便是一個(gè)現(xiàn)實(shí)而復(fù)雜的問(wèn)題。

自修復(fù)技術(shù)的核心就是通過(guò)物質(zhì)補(bǔ)給和能量補(bǔ)給，同時(shí)模仿生物體損傷愈合的原理，使復(fù)合材料的內(nèi)部或者外部損傷能夠進(jìn)行自我修復(fù)愈合。

種類不同功能不同

按照修復(fù)機(jī)理，自修復(fù)材料可分為兩大類：一類是通過(guò)在材料內(nèi)部分散或復(fù)合一些功能性物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些功能性物質(zhì)主要是裝有化學(xué)物質(zhì)的纖維或膠囊；另一類是通過(guò)加熱、光照等方式向材料提供能量，使其發(fā)生結(jié)晶、成膜或交聯(lián)等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)修復(fù)?；谶@兩大機(jī)理，自修復(fù)技術(shù)已經(jīng)在混凝土、金屬和高分子材料等領(lǐng)域有所應(yīng)用。

1.混凝土自修復(fù)材料 這類材料以水泥為基體，用鋼絲短纖維增強(qiáng)韌性，其自修復(fù)的核心就是在材料中嵌入玻璃空心纖維管，纖維管內(nèi)注入縮醛高分子溶液——一種黏性很強(qiáng)的修復(fù)液。當(dāng)材料在使用過(guò)程中出現(xiàn)裂紋時(shí)，就會(huì)有部分纖維管破裂、修復(fù)劑流出，經(jīng)一段時(shí)間后，裂紋在修復(fù)液的作用下重新黏合?？梢韵胂螅绻跇蛄?、建筑領(lǐng)域使用這種混凝土自修復(fù)材料，必將大大提升橋梁和建筑的使用壽命和安全性。

2.金屬自修復(fù)材料 對(duì)于金屬材料而言，磨損是令其失效的重要因素，因此，目前的金屬自修復(fù)材料主要是針對(duì)其磨損損耗設(shè)計(jì)的。金屬磨損自修復(fù)材料由多種礦物成分、添加劑和催化劑組成，外觀是一種超細(xì)粉末。由于這種材料不與油品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不會(huì)改變油的黏度和性質(zhì)，因此可以將它添加到各種類型的潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂中使用。這樣便能以潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂作為載體，將金屬磨損自修復(fù)材料的超細(xì)粉粒涂抹到產(chǎn)生摩擦的工作面上。這種自修復(fù)材料的保護(hù)層不僅能夠及時(shí)地補(bǔ)償金屬表面產(chǎn)生的磨損間隙，使零件恢復(fù)原始形狀，還有利于降低摩擦振動(dòng)，減少噪聲，節(jié)約能源。

3.高分子自修復(fù)材料 這也是目前研究最多、種類最多的材料。由于高分子材料本身便是基于原子間共價(jià)鍵、氫鍵這種可以利用化學(xué)反應(yīng)控制的結(jié)合方式，這便為實(shí)現(xiàn)自修復(fù)提供了更為“便利”的條件。目前，世界各國(guó)在高分子自修復(fù)材料領(lǐng)域開展了很多研究，下面我們介紹幾項(xiàng)最近的研究成果。

修復(fù)能力極強(qiáng)的高分子材料

第一個(gè)是利用“光照”從而實(shí)現(xiàn)自修復(fù)的高分子材料，它是由美國(guó)和日本的研究人員共同開發(fā)的。

這種材料是通過(guò)紫外線照射的“能量供給”方式實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)的。它的原理是充分利用材料中硫原子和碳原子的特殊結(jié)合方式，通過(guò)光照引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而使原子之間能反復(fù)地形成共價(jià)鍵。值得一提的是，這款材料的自修復(fù)能力極強(qiáng)，即使將材料切成碎塊兒，只要將切開的邊緣緊密地壓在一起，用紫外線照射，邊緣處就會(huì)重新結(jié)合在一起。

可以想象，如果將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)屏幕，那么當(dāng)我們的手機(jī)屏幕產(chǎn)生劃痕時(shí)，只需在陽(yáng)光下暴曬數(shù)小時(shí)，劃痕便能消失。是不是很神奇？

第二個(gè)則是利用天然高分子材料的氫鍵特性而設(shè)計(jì)的自修復(fù)材料，這是澳大利亞莫納什大學(xué)的一項(xiàng)研究成果。研究小組以支鏈淀粉、水和鹽作為基本原料，制備了一種綠色氫鍵網(wǎng)絡(luò)。該材料具有可愈合、可塑、可打印、導(dǎo)電、可再生等多種特性，并且材料成分環(huán)境友好，成本低廉。

在這種綠色氫鍵體系中，支鏈淀粉和水基于氫鍵相互作用形成空間網(wǎng)絡(luò)的骨架結(jié)構(gòu)，鹽在水相中溶解形成的可自由移動(dòng)的陰陽(yáng)離子充當(dāng)載流子，從而實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電特性?；诘矸酆腿軇┲g的氫鍵相互作用，這種復(fù)合物具有良好的可修復(fù)特性，塊體相接觸后在室溫下僅需耗時(shí)兩三秒即可實(shí)現(xiàn)愈合，并且力學(xué)性能和導(dǎo)電性能可恢復(fù)至原材料的98%。

研究者們將這種自修復(fù)柔性材料用于臨時(shí)的電路修復(fù)、可穿戴傳感器以及柔性電子器件（如銅鋅原電池、電致發(fā)光顯示器件）都取得了不錯(cuò)的效果。這一研究工作為開發(fā)基于氫鍵體系的柔性電子器件提供了新的思路。

高分子自修復(fù)智能材料

目前，高分子自修復(fù)材料正在向智能材料邁進(jìn)。最近，美國(guó)研究人員研制出一種新材料，它不僅能“感知”組織材料中的損傷，而且能修復(fù)它。研究人員構(gòu)建了一種“自適應(yīng)結(jié)構(gòu)”，通過(guò)模擬生物系統(tǒng)的能力，用“形狀-記憶”高分子材料，并結(jié)合嵌入式光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)，研制出了這種新奇的自修復(fù)材料。該材料具備損傷探測(cè)傳感和熱刺激傳遞功能。它通過(guò)模擬人類骨骼的高等感知能力和增強(qiáng)修復(fù)功能，利用一束紅外激光經(jīng)光導(dǎo)纖維系統(tǒng)傳播而使材料局部變熱，從而激發(fā)和增強(qiáng)其修復(fù)機(jī)制。該材料系統(tǒng)可將樣本的強(qiáng)韌度恢復(fù)到原來(lái)的96%，這樣的恢復(fù)比率是前所未有的。

隨著自修復(fù)技術(shù)的快速發(fā)展，各式各樣的自修復(fù)材料必將在建筑、機(jī)械、電子、汽車、航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。我們?cè)隗@嘆于自修復(fù)材料神奇的自修復(fù)功能的同時(shí)也應(yīng)看到，這種提高材料的利用率、延長(zhǎng)材料使用壽命的技術(shù)對(duì)于節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

【責(zé)任編輯】張小萌