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科技报道4-日本科学家发明可自我修复材料,未来用途广泛

 

日本科学家发明可自我修复材料,未来用途广泛

近来，日本大阪大学科学家近日制造出一种在半干燥条件下能修复99%表面切口的新材料。研究人员首次将物理和化学方法同时用于自愈材料，相关论文发表于《化学》。

据了解，之前的自愈性材料在柔软和潮湿的条件下能很好地发挥效用，研究人员发现，当材料变干后，自愈能力会减弱。

“结合自我修复的物理和化学特性，能使材料在更干燥和坚硬的状态下快速和有效地自愈。”该论文作者、超分子聚合物化学家Akira Harada说。“新材料只需要少量的水蒸气促进修复，换句话说，水只是充当修复过程中需要的无毒胶水。”参与该研究的副教授Yoshinori Takashima说。

通常，材料工程师会为材料嵌入充满自愈物的微囊或路径，或者利用多轮烷等分子建造材料。自愈材料的化学性则是指使用包括可逆化学反应和氢键结合等分子间相互作用等在内的可逆纽带。

Harada实验室利用多轮烷作为主体结构，并交联了可逆相互作用，将自愈性的物理和化学机制结合到新材料中。多轮烷结构能让材料利用应力松弛修复浅坑;而化学可逆作用能使其修复深坑。这种结合方法让这种材料能在10分钟里恢复80%。

Akira Harada教授课题组发现的这种高分子聚合材料主要是利用了聚轮烷中环状分子的自由移动（物理作用）以及苯硼酸与环糊精之间可逆作用（化学作用）实现材料自我修复，从而使性能得到了很大的提高。

 

图1. A)链状聚轮烷和聚糖分子 B)四种高分子聚合物的结构（PRx-PB (x)，Pul-PB (x)，PRx-CC (x)，pAAm (x)，x代表交联剂的含量）。图片来源：Chem

图1A中展示了两种线型聚合物（HPPRX和HPPul），其中左图中的聚轮烷以聚乙二醇为轴，环糊精作为环状分子套在其中，两端用金刚烷封端；环糊精以二羟丙基（HP）进行修饰以保证其水溶性，每个环糊精上约有2.5个HP基团。右图中是一种链状聚糖分子作为对比实验，其中每个糖单元约含3.8个HP基团。这两种链状聚合物的相对分子质量分别约是1.6 x 105 g/mol和2.1 x 105 g/mol。

接着HPPRX与交联剂4-乙烯基苯硼酸、丙烯酰胺混合进行三元聚合形成PRx-PB (x)胶体，x代表交联剂的含量。同样，HPPul也可以形成Pul-PB (x)胶体。文中论证了4-乙烯基苯硼酸与环糊精上的羟基的作用是这种材料自我修复的关键。所以为了进一步对比，作者合成了另一种不含苯硼酸交联剂的聚合物PRx-CC (x)以及pAAm (x)胶体。这四种高分子聚合物的结构如图1B所示。

 

图2. A)胶体自我修复测试实验 B) PRx-PB (20)胶体切开后5分钟的恢复情况 C)四种胶体切开后恢复情况。图片来源：Chem

然后作者对四种胶体进行了自修复性能的测试，下图中PRx-PB (20)胶体在被切开后，可以在几秒后自动重新连接在一起，并且5分钟后该切口处的粘黏强度可以达到原先的83%，10分钟后可恢复到100%，而另外几组对比胶体几乎没有恢复。

接着作者对半干的胶体做了同样的实验。首先将胶体覆盖在玻璃片上，然后烘干水分，划一道裂痕，观察裂痕的随时间的恢复情况。结果显示依然是含有苯硼酸聚轮烷胶体恢复最好，PRx-PB (8)膜大约30分钟可以实现完全修复，结果如下图所示。但是这种恢复必需要在含有水蒸气的情况下才会发生，因为这有利于苯硼酸与环糊精上的羟基之间共价键的重新形成。

图3. A-C)半干胶体自我修复测试实验，D)四种半干胶体切开后恢复情况。图片来源：Chem

 

 

 资料来源：1.X-Mol资讯›行业资讯›新型聚轮烷自我修复材料(2016-11-9)

           2.258互联网服务平台-资讯（2016-11-16）

 

 

 

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