自修復(fù)材料應(yīng)用廣闊，前景可期

相信很多人都看過《X戰(zhàn)警》和《終結(jié)者》這兩部科幻電影，影片中金剛狼和液態(tài)金屬機(jī)器人T-1000都具有神奇的自修復(fù)能力，普通的槍械無法對(duì)它們?cè)斐芍旅膫Α＿@樣的場景可能讓人覺得不可思議，其實(shí)，這樣的事情在現(xiàn)實(shí)中并非遙不可及。在自然界中，自修復(fù)現(xiàn)象比比皆是：DNA結(jié)構(gòu)被破壞之后能夠恢復(fù)原樣；人的皮膚被割破后會(huì)很快愈合；橡膠樹的樹皮破損時(shí)也能迅速得到再生。受大自然的啟發(fā)，人們?cè)O(shè)計(jì)合成了許多自修復(fù)高分子材料，它們能夠自行發(fā)現(xiàn)裂紋，并通過一定的機(jī)理將裂紋重新填補(bǔ)、自行修復(fù)，從而可有效延長材料的使用壽命，提高材料安全性，減少廢棄物，具有廣闊的應(yīng)用前景。

實(shí)現(xiàn)途徑

為了追求高強(qiáng)度及高柔韌性，傳統(tǒng)材料通常都是由不可逆的共價(jià)鍵構(gòu)筑而成的。這種共價(jià)鍵在斷裂之后無法再重建，因此傳統(tǒng)材料并不具有自修復(fù)功能。近年來，為了使材料具有自修復(fù)功能，人們普遍采取兩種途徑得到自修復(fù)材料。

一種是模擬人體的受傷及修復(fù)過程。人體內(nèi)的血管如同縱橫交錯(cuò)的河流，分布在我們身體內(nèi)的每個(gè)角落。皮膚被劃破后會(huì)流血，血液中的活性成分使得傷口結(jié)痂然后愈合。因此，我們可將催化劑和修復(fù)液分別裝進(jìn)微脈管或微膠囊中，然后將微脈管或微膠囊分散在聚合物里。當(dāng)材料遭受外力產(chǎn)生裂紋時(shí)，微脈管或微膠囊發(fā)生破裂，使催化劑和修復(fù)液迅速釋放。修復(fù)液在催化劑的作用下發(fā)生交聯(lián)聚合反應(yīng)，生成新的網(wǎng)絡(luò)大分子，阻止裂紋的擴(kuò)展，從而完成對(duì)裂紋的自修復(fù)。

另一種方法是將可逆共價(jià)鍵（例如亞胺鍵、酰腙鍵和雙硫鍵等）或非共價(jià)弱相互作用（例如氫鍵、配位鍵、靜電吸引、主客體相互作用、π-π堆積作用等）引入到高分子骨架中，這些化學(xué)鍵在外界因素（例如pH、溫度等）的影響下，鍵的斷裂和形成可以達(dá)到可逆的動(dòng)態(tài)平衡。因此，當(dāng)這些鍵斷裂以后，通過加熱、光照、調(diào)控pH值等手段，或者在無外界刺激的情況下，就可重新形成化學(xué)鍵，從而達(dá)到修復(fù)的目的。

這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。微膠囊體系材料力學(xué)強(qiáng)度好、修復(fù)效率高，但是，修復(fù)液和催化劑是消耗性的，因此不能在同一個(gè)位置多次修復(fù)。基于動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵的修復(fù)材料與化學(xué)鍵的強(qiáng)度相關(guān)，可逆共價(jià)鍵的自修復(fù)材料力學(xué)強(qiáng)度好、可多次修復(fù)，但需要外界刺激才能實(shí)現(xiàn)；基于非共價(jià)鍵弱相互作用的自修復(fù)材料不需要任何外界刺激便可反復(fù)修復(fù)，但材料力學(xué)性能較差。因此，在實(shí)踐中需要根據(jù)實(shí)際要求選擇合適的自修復(fù)材料。

應(yīng)用示例

目前，自修復(fù)材料已經(jīng)開始應(yīng)用于日常生活和軍用裝備領(lǐng)域。

●自動(dòng)修復(fù)輪胎

在日常生活中，大家都遇到過或者見過車輛輪胎被扎的情況。一旦車胎不小心被釘子扎破，輕則導(dǎo)致整個(gè)輪胎報(bào)廢，重則直接車毀人亡。2014年，法國米其林公司在當(dāng)時(shí)的米其林必比登挑戰(zhàn)賽中，展示了其新研發(fā)的“自動(dòng)修復(fù)輪胎”產(chǎn)品。新型輪胎的內(nèi)壁涂有一層膠料，該膠料富含50%以上的天然橡膠，涂抹之后會(huì)在輪胎內(nèi)壁形成一層3～5毫米的輪胎保護(hù)涂層。一旦輪胎被扎，這層膠體會(huì)立刻填充漏洞，從而車輛可以繼續(xù)行駛。該技術(shù)在帶來這一關(guān)鍵優(yōu)勢的同時(shí)，不會(huì)犧牲輪胎的其他性能。未來，如果車輛都使用這樣的輪胎，那么完全可以放棄備胎，為車輛減重近30千克，并增加車內(nèi)空間。

●車體劃痕復(fù)原涂料

車體劃痕復(fù)原涂料技術(shù)是日產(chǎn)公司與日本立邦公司合作研發(fā)的一項(xiàng)創(chuàng)新的汽車油漆技術(shù)。它的原理是在常規(guī)的透明清漆中添加特殊高彈性樹脂，使漆面柔軟性、樹脂黏合密度以及強(qiáng)韌性得到大幅度的提高。特殊樹脂的原料是氨基甲酸酯丙烯，它的作用是當(dāng)油漆表面受熱后，高彈性樹脂變軟并填滿劃傷處的凹痕，從而使劃痕得到修復(fù)。在日產(chǎn)公司的某些車型中，可自修復(fù)的高彈樹脂透明漆已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的清漆。日產(chǎn)公司表示這項(xiàng)技術(shù)與此前的涂裝相比，可將擦傷程度降至原來的1/5。即使車輛出現(xiàn)嚴(yán)重的擦傷，在經(jīng)過一段時(shí)間后，幾乎可以恢復(fù)至擦傷之前的狀態(tài)。若要加快這個(gè)過程可用熱水或熱風(fēng)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行加熱。

●自修復(fù)生化防護(hù)服

眾所周知，生化防護(hù)服能夠使士兵免受外界有害化學(xué)物質(zhì)、病毒、細(xì)菌等的侵害。然而，在士兵執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其生化防護(hù)服若被灌木、荊棘、樹叢、石頭或針狀金屬刺透，則會(huì)產(chǎn)生針孔大小的破損，雖然肉眼不易覺察，但如果在生化沾染地區(qū)活動(dòng)，遭到VX化學(xué)彈藥等殺傷力極高的毒氣襲擊，士兵很可能還沒反應(yīng)過來就喪命了。2015年11月，美國陸軍網(wǎng)站透露，美國陸軍納蒂克士兵研究開發(fā)與工程中心、馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校與美國粹通公司（Triton）合作研發(fā)了用于生化防護(hù)服的自修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)采用了含微型膠囊修復(fù)流體的衣服面料，當(dāng)微型膠囊被撕破時(shí)，它將被激活來修復(fù)切口、刺孔或破損處。這種自修復(fù)技術(shù)有助于對(duì)致命的化學(xué)品、細(xì)菌和病毒建立物理屏障，從而為參戰(zhàn)士兵提供及時(shí)、不間斷的生化防護(hù)。

●武器裝備防腐

自修復(fù)材料的另一個(gè)軍事用途是在武器裝備的防腐方面。目前，武器裝備大多以金屬制品為主，而金屬銹蝕會(huì)給武器裝備造成極大的危害。它會(huì)破壞武器裝備的外表光澤與表面結(jié)構(gòu)；若是機(jī)械配合件，銹蝕后會(huì)導(dǎo)致螺絲、螺母等配合件松動(dòng)或者銹死；銹蝕中含有水、空氣、電解質(zhì)等，會(huì)加速武器氧化，進(jìn)而造成損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因金屬銹蝕而報(bào)廢的軍事設(shè)備與材料占裝備總數(shù)的5%以上，金屬銹蝕還會(huì)造成武器裝備維修與保護(hù)費(fèi)用的劇增。2014年，美國海軍研究局和約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)了一種新的涂料添加劑，可以使海軍陸戰(zhàn)隊(duì)“聯(lián)合輕型戰(zhàn)術(shù)車輛”等軍用車輛的涂料具有類似于人體肌膚的自愈合功能，從而防止車輛銹蝕。他們的涂料添加劑由填滿油狀液體的聚合物微球組成，一旦劃傷，破損包膜處的樹脂便會(huì)在鋼材表面形成蠟狀防水涂層，防止車輛表面銹蝕，這種技術(shù)特別適合在惡劣環(huán)境下使用的軍用車輛。

前景與挑戰(zhàn)

如前所述，自修復(fù)材料在某些民用或軍用領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了具體應(yīng)用。實(shí)際上，還有更多應(yīng)用途徑已被各國科學(xué)家開發(fā)出來，雖然目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離真正的應(yīng)用尚有距離，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的可能性極大。這些應(yīng)用將改變我們的日常生活，一些科幻場景將成為現(xiàn)實(shí)。例如，建筑墻體的裂紋能自動(dòng)消失，無須再次噴漆；衣物破了也會(huì)自動(dòng)愈合，無須縫補(bǔ)；橋梁、河堤、路面能夠自我翻新，不會(huì)老舊；電子設(shè)備的各種零件能夠自我修復(fù)，延長使用壽命……

然而，要實(shí)現(xiàn)自修復(fù)材料的應(yīng)用，有兩個(gè)問題非常關(guān)鍵。

一是要使自修復(fù)材料實(shí)現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。目前的自修復(fù)材料大多存在力學(xué)性質(zhì)和自修復(fù)性質(zhì)不兼容的問題。因此，要通過可逆化學(xué)鍵的精心設(shè)計(jì)來獲得兼具優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)和自修復(fù)性質(zhì)的材料。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)圍繞這個(gè)目標(biāo)已經(jīng)做了一些工作，得到了高強(qiáng)度或高彈性的自修復(fù)材料。然而，目前的進(jìn)展還不盡如人意，存在高強(qiáng)度的材料不能室溫自修復(fù)、高彈性的室溫自修復(fù)材料力學(xué)強(qiáng)度不夠好等問題，缺乏能夠?qū)⒏邚?qiáng)度、高彈性以及室溫自修復(fù)全部結(jié)合在一起的材料。

二是要使自修復(fù)材料功能化和器件化。目前的自修復(fù)材料研究主要還是關(guān)注材料的力學(xué)性能，而要使自修復(fù)材料能夠得到應(yīng)用，就必須將自修復(fù)材料與具有光、電、熱、磁性質(zhì)的功能材料結(jié)合起來，得到具有發(fā)光、導(dǎo)電、磁性、導(dǎo)熱等功能的自修復(fù)材料。另外，一些重要的光電功能器件，例如太陽能電池、超級(jí)電容器、電致發(fā)光器件、電致變色器件等，在遇到碰撞、扭曲、折疊等外力作用時(shí)將產(chǎn)生局部裂紋甚至整體斷裂，發(fā)生電路斷路、器件局部甚至整體喪失功能等現(xiàn)象，縮短使用壽命。如果能將光電器件與自修復(fù)材料結(jié)合，則可以得到具有自修復(fù)性質(zhì)的光電功能器件。這些器件將具有更好的環(huán)境忍耐度、更長的使用壽命和更廣闊的應(yīng)用范圍，因而具有重要的研究前景和應(yīng)用價(jià)值。

總之，自修復(fù)材料仍存在需要解決的問題和可以改進(jìn)的空間，這些問題在幾年之內(nèi)有望被破解，自修復(fù)材料應(yīng)用于實(shí)際的場景是可以期待的。