自愈合材料可以模仿人類皮膚組織自我修復(fù),顯著提高材料的使用壽命和安全性,因此在電子皮膚、海洋涂料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但在極地嚴(yán)寒、過冷海下等極端環(huán)境,材料不通過任何外界能量刺激(如紅外、加熱等)輔助自主修復(fù),一直是自愈合材料領(lǐng)域未能解決的難題。這是由于當(dāng)現(xiàn)有可愈合材料在海水里損傷時,水分子會阻擋材料損傷界面的動態(tài)鍵重連;而在低溫環(huán)境下?lián)p傷時,材料內(nèi)化學(xué)或物理鍵的動態(tài)特性會被顯著抑制,聚合物體系結(jié)晶變硬,失去微觀流動性,以致材料的自愈合性能喪失。

近日,天津大學(xué)化工學(xué)院生物化工系張雷教授課題組在國際知名學(xué)術(shù)刊物《Nature Communications》(自然·通訊)上發(fā)表關(guān)于多種極端環(huán)境自愈合材料的研究。天津大學(xué)化工學(xué)院博士研究生郭洪爽為論文的第一作者,張雷教授青年教師楊靜為通訊作者,天津大學(xué)化工學(xué)院為論文的第一完成單位。該研究得到了“青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室基金”、國家基金委“優(yōu)青”基金、青年基金以及博士后面上項(xiàng)目等支持。

多種極端條件下可自愈合材料

該工作利用可形成強(qiáng)氫鍵、弱氫鍵的不同親水基團(tuán),并結(jié)合雙硫動態(tài)鍵形成協(xié)同作用機(jī)制,設(shè)計(jì)合成出可在多種極端條件下快速自愈合的彈性體材料(如圖1)。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處是基于多個動態(tài)鍵的協(xié)同相互作用,包括強(qiáng)交聯(lián)氫鍵(BNB–BNB),弱交聯(lián)氫鍵(IP–IP,IP–BNB或IP)和雙硫鍵(S–S)。將這些動態(tài)鍵引入聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物主鏈中,自發(fā)形成動態(tài)超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)PDMS-SS-IP-BNB(圖1A和B)。在PDMS-SS-IP-BNB中,親水基團(tuán)強(qiáng)氫鍵的作用主要是賦予材料彈性,弱氫鍵通過可逆鍵斷裂和重構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力耗散,雙硫鍵主要賦予材料快速修復(fù)和部分的應(yīng)力耗散?;谶@些動態(tài)鍵的協(xié)同作用,PDMS-SS-IP-BNB具有極高的拉伸性,無缺口損傷時,可拉伸至其原始長度的14,000%不會斷裂;當(dāng)材料遭受缺口損傷時,材料仍能拉伸至原長的1,300%。

多種極端條件下可自愈合材料
圖1.具有高拉伸性和極端條件自愈合能力的PDMS–SS–IP–BNB材料分子設(shè)計(jì)
多種極端條件下可自愈合材料
圖2. PDMS–SS–IP–BNB的“全天候”自愈合性能。

更為重要的是,PDMS-SS-IP-BNB具有“全天候”自愈合性能。在室溫下,可10分鐘內(nèi)快速愈合,愈合后可承受其自身重量526倍的重物。在各種極端環(huán)境條件下,如水下(自愈合效率93%),極低溫(?40°C),過冷高濃度鹽水下(?10°C的30%NaCl溶液,自愈合效率89%),甚至在強(qiáng)酸性/堿性環(huán)境中(pH = 0或14,自愈合效率88%或84%),皆表現(xiàn)出優(yōu)異的自愈合性能,如圖2所示。本工作對實(shí)現(xiàn)自愈合材料在海洋工程、極地、高空、工業(yè)廢水處理中等極端環(huán)境下的多種應(yīng)用具有重要意義。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15949-8

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