神奇的自修復材料

姚丁楊

自修復材料，顧名思義，就是一種在物體受損時能夠進行自我修復的材料。盡管關于自修復材料的設想可以追溯到20世紀60年代，然而其在技術上的突破直到21世紀才得以凸顯。

我們都知道，材料在使用過程中不可避免地會產生損傷和微裂紋，并由此引發宏觀裂縫而發生斷裂。如果我們能對材料的這種早期的損傷或者裂紋進行修復，那么對于消除安全隱患、增強材料的強度和延長材料的使用壽命則具有重大意義。然而，材料產生微裂紋的第一時間是不易被察覺的，因此，實現材料的自我修復便是一個現實而復雜的問題。

自修復技術的核心就是通過物質補給和能量補給，同時模仿生物體損傷愈合的原理，使復合材料的內部或者外部損傷能夠進行自我修復愈合。

種類不同功能不同

按照修復機理，自修復材料可分為兩大類：一類是通過在材料內部分散或復合一些功能性物質來實現的，這些功能性物質主要是裝有化學物質的纖維或膠囊；另一類是通過加熱、光照等方式向材料提供能量，使其發生結晶、成膜或交聯等作用來實現修復?；谶@兩大機理，自修復技術已經在混凝土、金屬和高分子材料等領域有所應用。

1.混凝土自修復材料 這類材料以水泥為基體，用鋼絲短纖維增強韌性，其自修復的核心就是在材料中嵌入玻璃空心纖維管，纖維管內注入縮醛高分子溶液——一種黏性很強的修復液。當材料在使用過程中出現裂紋時，就會有部分纖維管破裂、修復劑流出，經一段時間后，裂紋在修復液的作用下重新黏合。可以想象，如果在橋梁、建筑領域使用這種混凝土自修復材料，必將大大提升橋梁和建筑的使用壽命和安全性。

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

3.高分子自修復材料 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鍵、氫鍵這種可以利用化學反應控制的結合方式，這便為實現自修復提供了更為“便利”的條件。目前，世界各國在高分子自修復材料領域開展了很多研究，下面我們介紹幾項最近的研究成果。

修復能力極強的高分子材料

第一個是利用“光照”從而實現自修復的高分子材料，它是由美國和日本的研究人員共同開發的。

這種材料是通過紫外線照射的“能量供給”方式實現自我修復的。它的原理是充分利用材料中硫原子和碳原子的特殊結合方式，通過光照引發鏈式反應，從而使原子之間能反復地形成共價鍵。值得一提的是，這款材料的自修復能力極強，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，邊緣處就會重新結合在一起。

可以想象，如果將這項技術應用于手機屏幕，那么當我們的手機屏幕產生劃痕時，只需在陽光下暴曬數小時，劃痕便能消失。是不是很神奇？

第二個則是利用天然高分子材料的氫鍵特性而設計的自修復材料，這是澳大利亞莫納什大學的一項研究成果。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絡。該材料具有可愈合、可塑、可打印、導電、可再生等多種特性，并且材料成分環境友好，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絡的骨架結構，鹽在水相中溶解形成的可自由移動的陰陽離子充當載流子，從而實現了導電特性?；诘矸酆腿軇┲g的氫鍵相互作用，這種復合物具有良好的可修復特性，塊體相接觸后在室溫下僅需耗時兩三秒即可實現愈合，并且力學性能和導電性能可恢復至原材料的98%。

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

高分子自修復智能材料

目前，高分子自修復材料正在向智能材料邁進。最近，美國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，而且能修復它。研究人員構建了一種“自適應結構”，通過模擬生物系統的能力，用“形狀-記憶”高分子材料，并結合嵌入式光導纖維網絡，研制出了這種新奇的自修復材料。該材料具備損傷探測傳感和熱刺激傳遞功能。它通過模擬人類骨骼的高等感知能力和增強修復功能，利用一束紅外激光經光導纖維系統傳播而使材料局部變熱，從而激發和增強其修復機制。該材料系統可將樣本的強韌度恢復到原來的96%，這樣的恢復比率是前所未有的。

隨著自修復技術的快速發展，各式各樣的自修復材料必將在建筑、機械、電子、汽車、航天等領域廣泛應用。我們在驚嘆于自修復材料神奇的自修復功能的同時也應看到，這種提高材料的利用率、延長材料使用壽命的技術對于節約資源，實現可持續發展具有重大意義。

【責任編輯】張小萌