多種極端條件下可自愈合材料

自愈合材料可以模仿人類皮膚組織自我修復,顯著提高材料的使用壽命和安全性,因此在電子皮膚、海洋塗料、生物醫藥等領域具有廣泛的應用。但在極地嚴寒、過冷海下等極端環境,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,一直是自愈合材料領域未能解決的難題。這是由於當現有可愈合材料在海水裡損傷時,水分子會阻擋材料損傷界面的動態鍵重連;而在低溫環境下損傷時,材料內化學或物理鍵的動態特性會被顯著抑制,聚合物體系結晶變硬,失去微觀流動性,以致材料的自愈合性能喪失。

近日,天津大學化工學院生物化工系張雷教授課題組在國際知名學術刊物《Nature Communications》(自然·通訊)上發表關於多種極端環境自愈合材料的研究。天津大學化工學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,天津大學化工學院為論文的第一完成單位。該研究得到瞭“青島海洋科學與技術試點國傢實驗室基金”、國傢基金委“優青”基金、青年基金以及博士後面上項目等支持。

多種極端條件下可自愈合材料

該工作利用可形成強氫鍵、弱氫鍵的不同親水基團,並結合雙硫動態鍵形成協同作用機制,設計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)。該設計的關鍵之處是基於多個動態鍵的協同相互作用,包括強交聯氫鍵(BNB–BNB),弱交聯氫鍵(IP–IP,IP–BNB或IP)和雙硫鍵(S–S)。將這些動態鍵引入聚二甲基矽氧烷(PDMS)聚合物主鏈中,自發形成動態超分子聚合物網絡PDMS-SS-IP-BNB(圖1A和B)。在PDMS-SS-IP-BNB中,親水基團強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進行應力耗散,雙硫鍵主要賦予材料快速修復和部分的應力耗散。基於這些動態鍵的協同作用,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材料分子設計
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分鐘內快速愈合,愈合後可承受其自身重量526倍的重物。在各種極端環境條件下,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%),甚至在強酸性/堿性環境中(pH = 0或14,自愈合效率88%或84%),皆表現出優異的自愈合性能,如圖2所示。本工作對實現自愈合材料在海洋工程、極地、高空、工業廢水處理中等極端環境下的多種應用具有重要意義。

論文鏈接:

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

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