不老塑料

如果損壞的物品能夠像一些生物受傷那樣自我修復該有多好呀。其實，人們的這個愿望也是科學家一直在努力研究的一個課題。最近，這個課題有了進展，科學家研究出一種能自發修復內部 “勞傷”的全新塑料，它在自我修復的過程中需要氧氣，而且有趣的是一旦修復完了，它竟然“有排泄物”排出。據說，這種全新塑料已在具體的產品上開始使用。

迄今為止，我們日常使用的塑料有容易老化、產品壽命短的缺點。為此，開發盡可能不老化的塑料是材料研究的重大課題。

制造抗老化的材料一直是科學家的目標，就拿塑料來講，盡管做了許多改進，但現在日常看到塑料的壽命至多也不過10年。強度很小的物質構成的人類壽命卻有百年左右。這是為什么呢？原來我們人體能夠一邊自我修復損壞的地方一邊繼續生存著。科學家受此啟發將生物自我修復的機理用于人造材料，結果取得成功，制造出壽命更長的材料。科學家認為，如果材料自我修復手段真正實現，這將對今后的產品產生革命性的改變。

塑料強度的奧秘

世上的塑料可大體分為三類，即“通用塑料”“工程塑料”以及“超工程塑料”。通用塑料有聚苯乙烯、聚乙烯以及氯乙烯等，它們用于制造日常生活用品，壽命5~6年左右。工程用塑料有聚碳酸酯、聚酰胺和聚氧化甲烯等，它們一般用于制造汽車的零件、電器電子用品，價格一般比通用塑料高，壽命約10年。超工程塑料僅在特殊環境下使用，主要用于航空航天用品，其價格昂貴，使用壽命可達100年。

我們日常使用的塑料，其壽命至多10年左右。短壽命的主要原因是塑料內部會出現“勞傷”，這與材料老化有關。那么老化是怎樣產生的呢？

塑料是由碳和氫以及氧結合成的纖維狀結構高分子。這種高分子的纖維之間錯綜地絡合在一起，是塑料作為固體具有的強度。在普通的塑料里，每一條纖維大約有7處絡合在一起，這是保證塑料使用的安全強度。

塑料老化是由于纖維被切斷引起的。其原因是太陽的紫外線或人類使用中施加的外力導致的。假定7處絡合在一起的纖維正中附近斷了，于是一條纖維就變為二條纖維，這個反應過程被稱之塑料的老化。（圖1）

大凡人們都有這樣的體驗，一直被太陽曬的塑料桶灌滿水，剛想提起來，只聽見嘎叭一聲響，提手與塑料桶斷裂。這種狀況可以說每條纖維已有多處斷裂。通常塑料隨著使用時間越長老化越嚴重。為此在制品的材料里已摻入一些紫外線吸收劑，以抑制老化，或者在制品外表涂上油漆以抗老化，盡管如此，老化依舊進行。

科學家研制的“自我修復塑料”是將斷開的高分子再自發地接上，以消除老化。當然這并非是說壽命可以無限長，但是與普通的塑料相比，老化進程較慢，使用時間明顯延長。

橡皮膏與修補劑

1997年，科學家首次開發出的自我修復塑料，是一種叫聚苯醚的工程塑料。成功的關鍵是開發了為應急處理傷用的“橡皮膏”和治傷的“修補劑”。修補的原理十分簡單，首先假定在某些外因作用下，這時擔負分子結合的電子錯開，導致高分子被切斷，出現自由的電子，老化開始。由此，預先置入的修補劑向這個自由電子靠近。在聚苯醚，銅起到了這個修補劑的作用。開始，銅以2價（缺少2個電子）的狀態存在，當它從斷開部分得到一個電子后變成1價。這個過程稍微復雜，但是概略地講，通過這樣的氧化還原反應，中斷的部分就被恢復成原樣。

這時，重要的可說是起“橡皮膏”作用的氫。為了供給氫，使聚苯醚具有自我修復能力，已預先在聚苯醚中置入了“氫供給劑”，當斷裂出現時，氫來到斷開部分產生的自由電子處進行結合。（圖2）

如果沒有氫供給劑的應急處理，聚苯醚的高分子內部可能出現“拆東墻補西墻”現象，于是在各處連鎖產生自由電子，有可能造成材料“傷痕累累”。

自我修復不可缺

自我修復到此完了，但是反應還在繼續。得到電子變成1價的銅，繼續與大氣中的氧發生氧化反應。這時氧得到一個電子，銅又回到2價，再次獲得作為“修補劑”的能力。而且這時反應產生的氧離子與“橡皮膏”的氫離子結合生成的水作為廢物“排泄”出來。每克聚苯醚修復產生的水量為幾百微克，修補“勞傷”系統的這種有規律循環，是自我修復不可缺的。

科學家還成功地為聚碳酸酯等構筑自我修復系統。聚碳酸酯的修補劑是碳酸鈉，這時作為排泄物是石炭酸（苯酚），氣味非常難聞。排泄物的出現是材料修復過程一個非常有趣的事，其實通過改進也可不排泄。例如在聚碳酸酯材料中加入起垃圾箱作用的物質，具體地說如果放入堿性的微小硅膠，則石炭酸將被硅膠吸附，就不會往外釋放垃圾了，但是反應生成的物質又成為另一個問題，研究還在進行。目前，科學家正全力以赴構筑其他塑料的修復系統。

全新學科或許誕生

現在我們知道，上述材料自我修復是銅等觸媒作用在受傷處完成的。但是塑料是固體，銅等原子或分子真的能流動到斷裂處嗎？許多研究者認為觸媒不可能在固體中流動到斷開部分。但是有專家認為，在5~10納米區域中有觸媒就能引起自我修復反應。

對于化學反應的條件，很多人認為只能在水溶液中或氣態中，即反應分子能流動的地方。這個常識妨礙了對自我修復反應的理解。其實，材料自我修復引起的化學反應涉及到的只有1023規模的分子，與普通的化學反應完全不同，也無法使用“化學平衡”等概念，也許這是一門全新科學的領域，需要從理論上進一步研究。

另外，科學家在進行這項研究中還發現，自我修復反應優先發生在老化最厲害的部分，一旦高分子斷開部分增加理應引起的修復反應也多，但是結果是老化嚴重的部分優先修復。由此專家開始將研究方向轉移到延伸塑料的壽命上了。

自2002年起日本約10家企業推出以自我修復塑料為原料的具體產品，這些產品主要是電化產品。因為這些產品經常受光或熱曝曬容易老化。另外，汽車部件使用自我修復塑料后，壽命也明顯延長。

自我修復延伸壽命

科學家預言，今后不單是塑料，包括金屬和陶瓷等一切人造材料在內都有可能具有自我修復性，自主地應對老化。在材料研究中，所謂“自我修復”概念以前就有，但是從未見過有實物。科學家制造出實物，顯示“自我修復”是可能的。由此，科學家進行相應各種材料的自我修復性的研究。如果自我修復材料被人們日常使用，或許不久自我修復性將作為產品的標準。總之因產品的壽命顯著延伸了，表明了產品的可靠性和性能都提高了。

在資源日趨減少的今天，有效地利用自我修復性，延長物品的使用壽命，這從另一方面也緩解了日益嚴重的環境問題。