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。
圖文解析
1.?設(shè)計(jì)策略
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)
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
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。
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)。
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