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 試想一下，如果有一種材料能像人類皮膚一樣，在受到外來傷害后能自動修復(fù)，完好如初，那么材料的使用壽命將大大延長。具有這種特性的材料就叫做自修復(fù)材料。在科研人員的不斷努力之下，已成功通過DA反應(yīng)、二硫鍵交換、氫鍵、金屬-配體配位等賦予材料自修復(fù)性。但是，目前自修復(fù)材料還存在著一個難題，就是如何得到同時具有高修復(fù)效率和高強(qiáng)度的自修復(fù)材料。實(shí)現(xiàn)自修復(fù)性需要足夠的動態(tài)結(jié)構(gòu)，而高強(qiáng)度的材料需要強(qiáng)的相互作用（如共價鍵），這像天平的兩端，難以同時兼得。

最近，南京理工大學(xué)的傅佳駿和姜煒副教授在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了題為“Transparent, Mechanically Strong, Extremely Tough, Self-Recoverable, Healable Supramolecular Elastomers Facilely Fabricated via Dynamic Hard Domains Design for Multifunctional Applications”的文章，向這個難題發(fā)起了挑戰(zhàn)。他們提出了“動態(tài)硬段微區(qū)”的新策略，制備了聚氨酯-脲超分子彈性體，該彈性體同時具備透明、高強(qiáng)度（能舉起7.5 kg）、高韌性（65.49 MJ m−3）和室溫自修復(fù)等特性。動態(tài)硬段微區(qū)由不同強(qiáng)度的多層級氫鍵組成，通過該微區(qū)的依次斷裂和快速重排來實(shí)現(xiàn)材料的高修復(fù)效率和高強(qiáng)度。

 

 

 

圖文導(dǎo)讀

該聚氨酯-脲彈性體由一步縮聚直接得到，作者通過該方法制備了三種具有不同硬段的彈性體PPGTD-IDA、PPGTD-HDA和PPGTD-PDA（圖1）。對比后發(fā)現(xiàn)，PPGTD-IDA的自修復(fù)性能最好，可以在室溫下放置48小時后完全修復(fù)。它的室溫自修復(fù)能力來源于動態(tài)硬段微區(qū)的快速重排。

作者將動態(tài)硬段微區(qū)的構(gòu)成要素歸納如下：（1）非晶態(tài)和疏松結(jié)構(gòu)構(gòu)成了動態(tài)硬段微區(qū)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；（2）較低的結(jié)合能和高運(yùn)動能力是確保室溫下動態(tài)硬段微區(qū)活性的必要條件；（3）室溫下聚合物網(wǎng)絡(luò)的重排能力是動態(tài)硬段微區(qū)的重要特征，與修復(fù)效率緊密相關(guān)。除了自修復(fù)性之外，PPGTD-IDA還具有很好的透明性、高強(qiáng)度和韌性、變形自動回復(fù)等特點(diǎn)（圖2）。作者還詳細(xì)表征了PPGTD-IDA的機(jī)械性能（圖3）。PPGTD-IDA具有很高的韌性（65.49 MJ m−3）和斷裂能（42 650 J m−2，已報道的室溫自修復(fù)聚合物中的最高值）。這是由于在拉伸的過程中，動態(tài)硬段微區(qū)中較弱的氫鍵作為犧牲鍵先斷裂，消散了能量，提高了韌性。基于PPGTD-IDA的這些特性，它可以應(yīng)用于吸能材料、防腐涂層甚至是柔性穿戴（圖4）。作者構(gòu)筑了三文治結(jié)構(gòu)的PPGTD-IDA/GaInSnPs導(dǎo)電膜，導(dǎo)電率為29.82 S cm−1，而且導(dǎo)電率在拉伸（400%）、彎曲和有缺口的情況下基本不變。

 

 

 

圖1 三種彈性體PPGTD-IDA、PPGTD-HDA和PPGTD-PDA的自修復(fù)性能對比

 

 

 

圖2 PPGTD-IDA的特性

 

 

 

圖3 PPGTD-IDA的機(jī)械性能

 

 

 

圖4 PPGTD-IDA為基礎(chǔ)材料的可拉伸和自修復(fù)導(dǎo)體

亮點(diǎn)小結(jié)

總之，該文章報道了以“動態(tài)硬段微區(qū)”策略制備的超韌室溫自修復(fù)聚氨酯彈性體。通過分子設(shè)計引入多層級氫鍵，構(gòu)成動態(tài)硬段微區(qū)，從而同時實(shí)現(xiàn)高修復(fù)效率和高機(jī)械強(qiáng)度。該彈性體可望應(yīng)用于吸能材料、防腐涂層和柔性穿戴。其中，本文構(gòu)筑了可拉伸和自修復(fù)導(dǎo)體，雖然導(dǎo)電率較低，但是其導(dǎo)電率在拉伸、彎曲和有缺口的情況下基本不變，為下一代柔性穿戴器件的設(shè)計提供了思路。