（原）材料视角 | 有关自愈合材料的那些事
初原载于 工大材料汇 2020-04-10
未经允许禁止转载
zi yu
自 愈
相信不少同学都看过漫威的电影漫画，被里面的英雄人物所圈粉，想像着有朝一日可以像雷神一样操控雷电，像浩克一样拥有无敌的力量和耐力、以及飞一样跳跃力，像钢铁侠一样有钱……
不过，我想肯定会有人羡慕金刚狼和死侍的能力吧，这种能力我一直想拥有，那就是他们超强的自愈能力！！试想一下吧，如果你的皮肤破损之后能够自动愈合，那将会是一件多么酷的事情啊！！！
所以今天我们来聊一聊有关自愈合材料的那些事。
自愈
在谈自愈合材料之前，我们必须要清楚一个道理，自然界当中没有任何一种物质能够持续永恒，所以我们生活中的材料会以以下这三种形式失效：
老化：大多数材料会在使用一段时间之后发生退化。
磨损：大多数材料会在持续使用之后发生磨损。
断裂：一些材料会在外力条件下突然发生断裂。
对于材料学家而言，自发断裂是最危险的失效形式，也是最难追踪的。通过定期的检查和保养，我们很容易发现腐烂的木头或铁生锈，而要发现材料重要组成部分中的细小裂纹则是非常困难的。一些技术如无损检测等在例行检查期间容易发现潜在的问题，但是如果材料在实际使用过程中发生断裂，这些技术就显得捉襟见肘。我们真正需要的是可以向人体一样的人造材料：能感知断裂，并能够及时进行阻止，然后尽快进行自我修复。就拿太空船船体来说吧，太空船船体的损害通常从细小的表面裂缝开始，这些细缝人眼是无法发现的。这些微小的裂缝还会出现在材料表面的下方，这些地方比较隐蔽，根本无法看到。这些裂缝形成后会不断扩大，这势必削弱材料的承受能力，直到最后断裂。为了防止这些细缝扩大，我们就需要研发相关的自愈合材料，靠它的自愈合能力来延长太空船的使用寿命。
所以说，对于自愈合材料的研究必不可少。
东华大学纤维材料改性国家重点实验室的游正伟研究团队研制出一种新型自愈合材料，该材料在受损后能够像人类皮肤一样自行愈合，恢复原有结构和性能，相关成果于2019 年 4 月 12 日发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。
研究团队提出一种基于铜配位丁二酮肟氨酯弹性体 [Cu(II)– dimethylglyoxime–urethane‐complex‐based polyurethane elastomer，（Cu-DOU-CPU）] 的 策 略。Cu-DOU-CPU 中同时存在动态共价 键（肟氨酯键）和动态非共价键（金属配位键和氢键），可以同时提升材料自愈合性能和力学性能。Cu-DOU-CPU 的强度和韧性分别达到 14.8 MPa 和 87.0 MJ/m3，在室温下即时自愈 强度可达 1.84 MPa。
苏州大学鲍晓光团队通过密度 泛函理论计算对其中的分子机制做了解释，指出肟氨酯键、金属配位键和氢键的协同作用使得材料具有一系列 优异性能。其中铜离子的配位作用 起到关键作用：配位产生的动态交联 显著增强材料的力学性能，同时铜离子的配位提升了肟氨酯键的动态性，使材料具有更好的自愈合性能。
接着作者利用该材料复合液态金属构建了高拉伸自愈合导线。切断的导线在室温下9分钟就可以基本愈合，在再拉伸2.5倍的情况下，仍然能保持电路的导通，展现了该自修复材料在磅礴兴起的可拉伸电子领域的良好应用前景。
该工作还有一个突出的优点，Cu-DOU-CPU合成所使用的原料均为易得的工业品，反应采用“一锅法”，简便易行，非常有利于大规模使用。更进一步，该工作提出的利用金属配位作用来同时提升力学和自愈合性能的策略，可以拓展到其它金属离子和动态键体系，为研制高性能的自愈合材料提供了全新的思路。
自愈
到目前为止，人们合成的自愈合材料已经很多了，除金属合金外，陆续合成了具有自愈合的陶瓷、聚合物、凝胶等。自愈合材料主要分热塑性自愈合材料和热固性自愈合材料。不管是热塑型自愈合材料还是热固型自愈合材料现在都得到了广泛地应用，如电网技术领域、医学领域、通信领域、建材领域等。
那么下面我们简单介绍一下常见的热塑型自愈合材料的愈合机理
（1）分子互扩散导致的自愈合
热塑性聚合物通过分子相互扩散裂纹愈合在20 世纪80 年代被广泛研究。且研究覆盖了非晶聚合物、半结晶聚合物、嵌段共聚物和纤维增强复合材料。研究发现，当两个相同的聚合物在高于其玻璃化转变温度时进行接触，会导致两者的接口逐渐消失，就像界面上的分子扩散裂纹愈合一样，这使得聚合物界面的力学强度增大。自愈合过程在真空或大气压下进行，愈合时间从几分钟到几年不等，而许多链段（不是整个链）相互扩散被发现是其中最有可能的自愈合机理。
（2）由光引发的自愈合
第一个由光引发自愈合的例子是由Chung 等人提出的。应用光的环加成反应产生环丁烷结构，所以光化学[2+2]的环加成反应被选作一种愈合机理，而且这一机理也得到了验证，结果表明，只有在波长吻合的情况下才发生反应，这一情况也能证明此愈合机理是由光引发的。
（3）通过形成可逆键的自愈合
热塑性塑料链中的流动性也可以通过在环境温度下在聚合物基中引入可逆键来治愈断裂。这提供了一种可代替紫外线或催化剂引发的共价键愈合的方法，并利用氢或离子键治愈受损的聚合物网络
还有纳米粒子自愈合和混合磨损自愈合材料等的愈合机理，这里我就不一一列举了。
自愈
看到这里，想必大家都对自愈合材料有了一定的了解，不难想象，自愈合材料将具有非常广泛的应用前景，从桥梁、建筑到汽车等方方面面均有可能。第一款可大量进行生产的自愈合材料将是涂层等，可更好地适应天气变化等。其他更加先进的自愈合材料也将出现，例如具有自我修复密封件和垫圈的管道等。将来有一天，我们甚至会拥有可以修复人体部位的材料，倘若真能实现的话，这将会是真正意义上的完整的循环！！
本期问题：
Q1：苏州大学鲍晓光团队通过密度泛函理论计算对研究团队提出的基于铜配位丁二酮肟氨酯弹性体策略的分子机制的解释是？
苏州大学鲍晓光团队通过密度泛函理论计算对其中的分子机制做了解释，指出肟氨酯键、金属配位键和氢键的协同作用使得材料具有一系列优异性能。其中铜离子的配位作用起到关键作用：配位产生的动态交联显著增强材料的力学性能，同时铜离子的配位提升了肟氨酯键的动态性，使材料具有更好的自愈合性能。
Q2：纳米粒子填充裂缝的特点可能有哪些？
使用简便，且效果较好
——Вперед, товарищи
参考资料：
材料与测试网 东华大学游正伟教授团队《Adv. Mater.》：超强韧自愈合弹性体
百度文库 自愈合材料的合成与表征
百度文库 自愈合材料
360百科 自愈合材料
个人图书馆 我能自我修复！我是自愈合材料！
中国知网 具有前所未有力学性能的自愈合材料
本文图文提供：张昭明
本文图文编辑：许心雨
时任图文审核：于世龙 刘孟茜
时任责任编辑：王雪篪
时任总编辑：李晓萌
