Nature Chemistry报道我校在自修复材料方面的合作研究成果

我校化学化工学院、配位化学国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心李承辉副教授在高弹性自修复材料方面取得重要进展，相关成果以“A highly stretchable autonomous self-healing elastomer”为题，发表在国际著名期刊《Nature Chemistry》上（2016年4月18日在线发表，DOI: 10.1038/NCHEM.2492）。该项研究工作由多方努力合作完成，李承辉副教授为论文第一作者，通讯作者是我校校友、斯坦福大学化学工程系鲍哲南教授；我校化学化工学院左景林教授、郑鹏教授、游效曾院士，物理学院曹毅教授、孙阳同学等也参与了该项研究。

自修复材料是近十几年来兴起的一种新型智能材料。它可以实现材料对自身裂纹的检测并自发完成对材料的修复，从而可以预防材料由于产生裂纹而存在的潜在破坏，在航天、军工、桥梁、建筑以及工程等领域中有着重要应用。传统材料为了追求高强度及柔韧性，通常都是由不可逆的共价键构筑而成的。这种共价键在断裂之后无法再重建，因此传统材料受损后很难修复。目前，用于自修复材料的可逆化学键主要有两类。一类是可逆动态共价键，例如共轭双烯与烯烃或炔烃之间可逆的Diels-Alder反应，双硫键可逆的氧化还原反应等。另一类是非共价键相互作用，例如氢键、静电吸引、疏水作用、π-π堆积等分子间弱相互作用。这两种途径各有优缺点。

李承辉副教授与斯坦福大学鲍哲南教授合作，利用配位键设计合成了一种高弹性的自修复材料。在超分子化学中，配位作用通常被认为是最强的超分子间相互作用之一。通过选择合适的配体和金属，可以得到中等强度的配位键，其强度小于共价键但比非共价弱相互作用要强得多。这种配位键将具有物理（热）可逆性或者化学可逆性，因而能够用于构筑自修复材料。同时，由于配位键强度适中，将能够克服可逆共价键和非共价弱相互作用的缺点。他们在聚甲基硅氧烷高分子中引入了一种名为2,6-吡啶二甲酰胺的配体，该配体可提供多个配位点与金属配位，得到多个不同强度的配位键。强配位键与弱配位键位置相邻，受到拉伸作用时，弱配位键断开使能量得到耗散，而强配位键仍然得以保持使材料不致断裂，因此材料具有非常好的拉伸性，最高可拉伸至原长度的45倍，改变金属与配体的比例后甚至拉伸到100倍也不会断裂。另一方面，由于强配位键与弱配位键的结合导致配位结构具有高度动态性，受到破坏后能够快速自发形成，因此材料受损后在室温下无需任何外界刺激即可完全修复，甚至低温条件下（-20 °C）也能自发修复。

图1 高弹性自修复材料

值得一提的是，该材料还可用于制造人工肌肉。科学家们一般尝试通过气动驱动器、形状记忆合金等多种方法制造人工肌肉后，近年来人们开始关注一种基于电活性聚合物的人工肌肉。电活性聚合物是指能够在电流或电压作用下产生物理形变的聚合物，因而能将电能转化为机械能。基于电活性聚合物的人工肌肉具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点，被公认为最具发展潜力。利用本研究中的自修复材料所制备出的人工肌肉器件，能够随着电压变化不断膨胀与收缩，因此其动作可以通过外部电压来控制。而且，该人工肌肉受损后可自动修复，修复后的器件仍然可承受与修复前同样高的电压。该研究为人工肌肉走向智能化又迈出了重要的一步。

图2 自修复人工肌肉器件

（化学化工学院 科学技术处）