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，張雷教授和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。
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%。
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。
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