皮膚和肌肉在受到損傷時(shí)會(huì)自動(dòng)自我修復(fù),而這一能力一直是科學(xué)家夢(mèng)寐以求想賦予材料的一種特殊性能。然而,目前的可修復(fù)材料的大多數(shù)設(shè)計(jì)都需要外部能量才能愈合或者這些材料的機(jī)械強(qiáng)度較弱。動(dòng)態(tài)超分子材料可以在一定程度上解決以上問題,它在室溫下無(wú)需外部條件便可以發(fā)生自我修復(fù)。但是,具有自修復(fù)性能的動(dòng)態(tài)超分子材料往往不能適用于極端條件,原因在于:

(i)當(dāng)可修復(fù)材料在水下受傷或破裂時(shí),水分子會(huì)干擾動(dòng)態(tài)鍵的重新連接,導(dǎo)致材料無(wú)法修復(fù)。

(ii)在凍結(jié)條件下,可修復(fù)材料中鍵的動(dòng)態(tài)特性遇到很大的障礙,從而極大地限制了自修復(fù)過(guò)程。

(iii)一些自我修復(fù)的相互作用易受pH值變化的影響。

成果

基于以上問題,來(lái)自天津大學(xué)化工學(xué)院張雷教授和青年教師楊靜合作,通過(guò)在聚二甲基硅氧烷聚合物中協(xié)同結(jié)合多強(qiáng)度氫鍵和二硫鍵交換,設(shè)計(jì)出一種具有普遍自愈性和高拉伸性的超分子彈性體。它可以在極端條件下實(shí)現(xiàn)快速的自主自修復(fù),包括在室溫、超低溫(?40°C)、水下、過(guò)冷的高濃度鹽水(-10°C下30%NaCl溶液中)和強(qiáng)酸/堿環(huán)境(pH=0或14)。這些性質(zhì)歸因于動(dòng)態(tài)強(qiáng)氫鍵和弱氫鍵與強(qiáng)二硫鍵的協(xié)同相互作用。相關(guān)成果以“Universally autonomous self-healing elastomer with high stretchability”為題,發(fā)表在《Nature Communications》上。

高度可拉伸自修復(fù)彈性體,可在各種極端條件下實(shí)現(xiàn)自修復(fù)

圖文解析

1.?設(shè)計(jì)策略

高度可拉伸自修復(fù)彈性體,可在各種極端條件下實(shí)現(xiàn)自修復(fù)
圖1 PDMS-SS-IP-BNB彈性體的分子設(shè)計(jì),具有高韌性可拉伸性和普遍自主的自我修復(fù)能力。a.PDMS-SS-IP-BNB的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b.基于強(qiáng)交聯(lián)氫鍵(BNB-BNB),弱交聯(lián)氫鍵(IP-IP,IP-BNB,IP-SS)和二硫鍵(S-S)的超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)的理想結(jié)構(gòu)?。c.多個(gè)動(dòng)態(tài)鍵的協(xié)同相互作用有助于彈性體的普遍自我修復(fù)能力。

首先來(lái)看超分子彈性體的設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)融合了高拉伸性和普遍自主的自我修復(fù)的獨(dú)特特性。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是多個(gè)動(dòng)態(tài)鍵的協(xié)同相互作用,包括二硫鍵(S-S)、強(qiáng)交聯(lián)氫鍵(BNB–BNB)和弱交聯(lián)氫鍵(IP–IP,IP–BNB或IP–SS等),如圖1所示。這些動(dòng)態(tài)鍵引入聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物主鏈(PDMS–SS–IP–BNB)中,自發(fā)形成動(dòng)態(tài)超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)(圖1a和b)?。在動(dòng)態(tài)的超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)中,強(qiáng)的交聯(lián)氫鍵主要為彈性體賦予堅(jiān)固性和彈性,而弱的氫鍵通過(guò)有效的可逆鍵斷裂和重整來(lái)耗散應(yīng)變能。二硫鍵主要有助于自我修復(fù)。這些結(jié)合位點(diǎn)的協(xié)同作用賦予彈性體高拉伸性(14,000%),以及在常規(guī)環(huán)境條件和極端條件下的快速自發(fā)自愈能力(圖1c)。

2.?流變和機(jī)械性能

流變學(xué)測(cè)量可以揭示材料的粘度和彈性,從而可以解釋其機(jī)械性能。流變學(xué)測(cè)量表明PDMS–SS–IP–BNB材料在室溫下主要具有彈性,在高溫下可能會(huì)變得更粘和像液體(圖S8)。接著來(lái)看機(jī)械性能測(cè)試,圖2顯示,所得的PDMS–SS–IP–BNB膜具有極高的拉伸性和良好的機(jī)械強(qiáng)度。研究者認(rèn)為其高拉伸性歸因于超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)動(dòng)態(tài)鍵合特征的協(xié)同相互作用。材料的機(jī)械性能取決于PDMS、SS、BNB和IP單元的比例,尤其是,較高的BNB-BNB交聯(lián)(強(qiáng)氫鍵)密度會(huì)產(chǎn)生較高的機(jī)械強(qiáng)度。在超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)中,BNB之間以協(xié)

高度可拉伸自修復(fù)彈性體,可在各種極端條件下實(shí)現(xiàn)自修復(fù)
圖2 PDMS–SS–IP–BNB彈性體的機(jī)械性能。

作的方式形成強(qiáng)氫鍵(四重氫鍵),從而允許更強(qiáng)的BNB-BNB交聯(lián)將彈性體保持在一起以獲得彈性(圖1b)。聚合物主鏈中三種動(dòng)態(tài)鍵合位點(diǎn)的協(xié)同作用提供了強(qiáng)大的交聯(lián)相互作用和能量耗散機(jī)制,提供了鍵斷裂,交換和重整的多種模式。這可能對(duì)所得的PDMS-IP-SS-BNB材料的機(jī)械強(qiáng)度有利。

3.?普遍的自我修復(fù)能力

高度可拉伸自修復(fù)彈性體,可在各種極端條件下實(shí)現(xiàn)自修復(fù)
圖3 PDMS–SS–IP–BNB彈性體具有普遍的自我修復(fù)能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PDMS-IP-SS-BNB可以在極端條件下實(shí)現(xiàn)快速的自主自我修復(fù),包括在室溫(10min愈合)、超低溫(?40°C)、水下(93%愈合效率)、過(guò)冷的高濃度鹽水(-10°C 下30%NaCl溶液中室溫愈合效率89%)和強(qiáng)酸/堿環(huán)境(pH=0或14,愈合效率88%或84%)(圖3)。這些性質(zhì)歸因于動(dòng)態(tài)強(qiáng)氫鍵和弱氫鍵與強(qiáng)二硫鍵的協(xié)同相互作用。這極大的擴(kuò)展了其的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.?應(yīng)用-一種自愈可伸縮的導(dǎo)電裝置

PDMS–SS–IP–BNB彈性體具有出色的機(jī)械性能,可拉伸性和普遍的自愈特性,非常適合應(yīng)用于導(dǎo)電設(shè)備中的導(dǎo)體。因此,作者使用液態(tài)金屬EGaIn作為導(dǎo)線,并使用P3彈性體作為封裝和支撐層,制造了一種可拉伸的自修復(fù)導(dǎo)體(圖4a)。當(dāng)導(dǎo)線切成兩半時(shí),電路斷開,導(dǎo)致LED熄滅。當(dāng)兩個(gè)部分重新連接在一起時(shí),電導(dǎo)率立即恢復(fù),而機(jī)械性能需要10分鐘才能恢復(fù)(圖4b)。此外,愈合的導(dǎo)線在拉伸至150%時(shí)仍保持導(dǎo)電性。

高度可拉伸自修復(fù)彈性體,可在各種極端條件下實(shí)現(xiàn)自修復(fù)
圖4?基于PDMS–SS–IP–BNB彈性體的可自我修復(fù)且可拉伸的人造導(dǎo)電設(shè)備

 

總結(jié)

研究者開發(fā)了一種具有普遍自主性的自修復(fù)和高拉伸彈性體,該彈性體將多個(gè)動(dòng)態(tài)鍵作為超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)劑協(xié)同作用。它們的動(dòng)態(tài)性質(zhì)使它們可以斷裂和重整,從而使彈性體具有優(yōu)異的拉伸性和自我修復(fù)性能。該彈性體在環(huán)境條件和惡劣條件下均具有普遍的自愈能力而無(wú)需外部刺激或添加劑。這種材料具有在普遍條件下自動(dòng)自我修復(fù)的能力,使其有望在廣泛的應(yīng)用中使用,例如人造皮膚,并且可以使涉及海戰(zhàn)和極地地區(qū)的電子通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15949-8

相關(guān)新聞

微信
微信
電話 QQ
返回頂部