“破鏡得以重圓”的自修復(fù)技術(shù)

中國有句俗語，叫作“破鏡難圓”。當(dāng)一件我們極為心愛的物品意外摔裂或者出現(xiàn)裂紋時，往往令人心疼不已，又難以割舍丟棄。因而，人們總是幻想著是否有這樣一種技術(shù)，能夠讓其恢復(fù)如初。而今，隨著“自修復(fù)材料及其技術(shù)”的問世，“破鏡重圓”已經(jīng)成為可能——墻體開裂后能夠自動修復(fù)，車輛剮蹭掉漆處可以自動修補，手機屏幕的劃痕逐漸自動消失，衣服上的破洞得以自動彌合……

自修復(fù)技術(shù)的“奧妙”

在較長的一段時間中，自我修復(fù)技術(shù)的概念僅存在于科幻領(lǐng)域。譬如，漫威電影《鋼鐵俠》中的主角之所以能夠自動復(fù)原戰(zhàn)衣，其關(guān)鍵元素就在于自修復(fù)技術(shù)。但隨著當(dāng)前科技的不斷創(chuàng)新與突破，自修復(fù)技術(shù)正從科幻步入現(xiàn)實。

那么，自修復(fù)技術(shù)的“奧妙”何在，原理是什么？幾乎所有人都有過類似這樣的經(jīng)歷：當(dāng)皮膚不小心被劃傷出血后，經(jīng)過一段時間，傷口即會自動痊愈。這是由于血液中血小板的凝聚能夠為傷口及時止血，進而促使傷口的愈合。受到這一人體生理特性的啟發(fā)，科學(xué)家們在模仿“傷口愈合原理”的基礎(chǔ)上，嘗試通過在材料中添加特定的修復(fù)、黏合物質(zhì)，從而達到材料的自我修復(fù)目的。簡單來說，自修復(fù)技術(shù)，即：當(dāng)材料出現(xiàn)損傷時，能夠在特定環(huán)境條件下，通過材料內(nèi)部預(yù)置的特殊結(jié)構(gòu)或物質(zhì)，來實現(xiàn)自我修復(fù)的功能。

那么，這種自我修復(fù)的“秘密武器”究竟是什么呢？原來，科學(xué)家會在自修復(fù)材料中引入一些特殊的分子結(jié)構(gòu)或化學(xué)鍵。當(dāng)材料出現(xiàn)損傷時，這些結(jié)構(gòu)就會發(fā)生反應(yīng)并令材料自行修復(fù)。此外，某些自修復(fù)材料中還帶有封裝有修復(fù)劑的微管、微膠囊等結(jié)構(gòu)，當(dāng)材料因損傷而出現(xiàn)裂縫時，微管、微膠囊便會釋放出修復(fù)劑，以填補裂縫并維系材料的完整性。

按照修復(fù)機理和方式的不同，自修復(fù)技術(shù)主要可以分為外援型和本征型兩大類：就前者而言，其是通過在材料表面或內(nèi)部添加裝有修復(fù)劑的微膠囊或液芯纖維等功能性物質(zhì)來進行自我修復(fù)；后者則是通過材料內(nèi)部能夠進行可逆反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，借助一定形式來進行自我修復(fù)。

微膠囊自修復(fù)技術(shù)，需要將微膠囊和催化劑等物質(zhì)均勻混入材料。當(dāng)材料出現(xiàn)損傷后，微膠囊亦會同時破損并釋放出修復(fù)劑。隨后，修復(fù)劑與催化劑結(jié)合并反應(yīng)固化，進而完成裂縫的自修復(fù)。不過，伴之微膠囊的破損，內(nèi)部修復(fù)劑會被全部釋放。這也決定了該技術(shù)是一種一次性的自修復(fù)方式。為了實現(xiàn)多次的自我修復(fù)，科學(xué)家們在模仿人體血管網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，使用相互連通的液芯纖維預(yù)先埋入基體材料中。損傷部位的液芯纖維釋放出修復(fù)劑并完成自修復(fù)后，修復(fù)劑即會被封裝，以便于后續(xù)的自修復(fù)使用。

不過，無論是微膠囊，還是液芯纖維等外援型自修復(fù)技術(shù)，一旦修復(fù)劑消耗一空，材料也就失去了自修復(fù)能力。為此，科學(xué)家們又嘗試研發(fā)了本征型的自修復(fù)技術(shù)。在光、熱、電磁等特定條件下，能夠為基于配位鍵、氫鍵、二硫鍵等的本征型自修復(fù)聚硅氧烷材料提供能量，進而借助化學(xué)鍵的可逆性，來實現(xiàn)材料的自我重新修復(fù)。

自修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域前景

如今，手機的應(yīng)用已極為普及。手機使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的屏幕碎裂或劃痕，無疑是一件令人糟心的事。試想一下，如果將屏幕受損的手機放在太陽底下暴曬數(shù)小時，裂紋或劃痕便會自動消失，這是否極為神奇？當(dāng)然，自修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域并非僅限于此，其在建筑、陶瓷和金屬等領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用前景。

▲建筑施工領(lǐng)域

建筑施工作業(yè)中，混凝土因其成本低、耐久性以及抗壓強等特點，已成為一種必不可少的建筑材料。然而，由于環(huán)境影響以及混凝土材料的自身緣由，時間一長，開裂就無可避免。這些裂縫，不僅破壞了建筑外觀，更對結(jié)構(gòu)安全帶來了嚴重隱患。為了應(yīng)對這一問題，科學(xué)家們在建筑混凝土領(lǐng)域引入了自修復(fù)技術(shù)。微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)作為其中一項較為理想的技術(shù)，需要將細菌孢子和乳酸鈣填入混凝土之中。當(dāng)裂紋出現(xiàn)后，細菌孢子就會被氧氣和水激活，進而生成碳酸鈣并填充修復(fù)裂紋；乳酸鈣則可為細菌孢子持續(xù)提供營養(yǎng)。科學(xué)家們經(jīng)過測算，這一自修復(fù)能力幾乎可持續(xù)200年左右。

▲陶瓷材料領(lǐng)域

陶瓷不僅在日常生活中隨處可見，其也因較鈦合金更輕、更耐熱的優(yōu)勢，成了航空發(fā)動機的理想型材料。不過，陶瓷易碎且脆性大的缺點，成了相關(guān)材料研發(fā)領(lǐng)域的難題。為此，科學(xué)家們研發(fā)出了一種能夠完成結(jié)構(gòu)自行修復(fù)的陶瓷材料。其需要將碳化硅置入氧化鋁陶瓷材料中作為“愈合劑”。當(dāng)陶瓷在高溫環(huán)境下破裂時，氧氣就會通過縫隙進入并與材料中的碳化硅反應(yīng)生成二氧化硅。此時，隨著材料密度的降低，其體積則相應(yīng)發(fā)生膨脹。此外，這一過程還能促使氧化鋁的燒結(jié)，進一步推動裂縫愈合并恢復(fù)材料的原始強度。科學(xué)家們研發(fā)后發(fā)現(xiàn)，加入了“愈合劑”后的自修復(fù)陶瓷材料，在完成自修復(fù)過程后，其抗彎性能強度甚至超過了初始材料！

▲金屬材料領(lǐng)域

金屬材料的用途極為廣泛，人們在車輛制造、航空航天等領(lǐng)域都可以看到金屬材料的身影。機械電器類產(chǎn)品中，金屬用料往往占據(jù)九成以上。但金屬材料的疲勞、損傷、腐蝕等問題，長期以來阻礙著人們對金屬材料的進一步使用。在航空、輪船、列車等交通運輸過程中，金屬疲勞也會給人類帶來嚴重的安全隱患。當(dāng)前，自修復(fù)技術(shù)有望能夠為金屬材料帶來更強的耐腐蝕性以及更長的使用壽命。磨損通常是金屬材料失效的重要因素之一。金屬自修復(fù)材料是針對解決金屬磨損問題而研發(fā)出來的，為各類礦物質(zhì)、催化劑和添加劑所組成的超細粉末，并以潤滑油作為承載客體。當(dāng)加入了自修復(fù)材料的潤滑油涂抹至產(chǎn)生摩擦的金屬工作面后，自修復(fù)材料不僅可以及時修復(fù)金屬表面產(chǎn)生的磨損縫隙并使金屬恢復(fù)初始性狀，還可有效減少其摩擦振動并提升綜合效能。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com