皮膚和肌肉在受到損傷時(shí)會(huì)自動(dòng)自我修復(fù)，而這一能力一直是科學(xué)家夢(mèng)寐以求想賦予材料的一種特殊性能。然而，目前的可修復(fù)材料的大多數(shù)設(shè)計(jì)都需要外部能量才能愈合或者這些材料的機(jī)械強(qiáng)度較弱。動(dòng)態(tài)超分子材料可以在一定程度上解決以上問題，它在室溫下無需外部條件便可以發(fā)生自我修復(fù)。但是，具有自修復(fù)性能的動(dòng)態(tài)超分子材料往往不能適用于極端條件，原因在于：
（i）當(dāng)可修復(fù)材料在水下受傷或破裂時(shí)，水分子會(huì)干擾動(dòng)態(tài)鍵的重新連接，導(dǎo)致材料無法修復(fù)。
（ii）在凍結(jié)條件下，可修復(fù)材料中鍵的動(dòng)態(tài)特性遇到很大的障礙，從而極大地限制了自修復(fù)過程。
（iii）一些自我修復(fù)的相互作用易受pH值變化的影響。
成果
基于以上問題，來自天津大學(xué)化工學(xué)院張雷教授和青年教師楊靜合作，通過在聚二甲基硅氧烷聚合物中協(xié)同結(jié)合多強(qiáng)度氫鍵和二硫鍵交換，設(shè)計(jì)出一種具有普遍自愈性和高拉伸性的超分子彈性體。它可以在極端條件下實(shí)現(xiàn)快速的自主自修復(fù)，包括在室溫、超低溫（?40°C）、水下、過冷的高濃度鹽水（-10°C下30％NaCl溶液中）和強(qiáng)酸/堿環(huán)境（pH=0或14）。這些性質(zhì)歸因于動(dòng)態(tài)強(qiáng)氫鍵和弱氫鍵與強(qiáng)二硫鍵的協(xié)同相互作用。相關(guān)成果以“Universally autonomous self-healing elastomer with high stretchability”為題，發(fā)表在《Nature Communications》上。
圖文解析
1.?設(shè)計(jì)策略
首先來看超分子彈性體的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)融合了高拉伸性和普遍自主的自我修復(fù)的獨(dú)特特性。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是多個(gè)動(dòng)態(tài)鍵的協(xié)同相互作用，包括二硫鍵（S-S）、強(qiáng)交聯(lián)氫鍵（BNB–BNB）和弱交聯(lián)氫鍵（IP–IP，IP–BNB或IP–SS等），如圖1所示。這些動(dòng)態(tài)鍵引入聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚合物主鏈（PDMS–SS–IP–BNB）中，自發(fā)形成動(dòng)態(tài)超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)（圖1a和b）?。在動(dòng)態(tài)的超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)中，強(qiáng)的交聯(lián)氫鍵主要為彈性體賦予堅(jiān)固性和彈性，而弱的氫鍵通過有效的可逆鍵斷裂和重整來耗散應(yīng)變能。二硫鍵主要有助于自我修復(fù)。這些結(jié)合位點(diǎn)的協(xié)同作用賦予彈性體高拉伸性（14,000％），以及在常規(guī)環(huán)境條件和極端條件下的快速自發(fā)自愈能力（圖1c）。
2.?流變和機(jī)械性能
流變學(xué)測(cè)量可以揭示材料的粘度和彈性，從而可以解釋其機(jī)械性能。流變學(xué)測(cè)量表明PDMS–SS–IP–BNB材料在室溫下主要具有彈性，在高溫下可能會(huì)變得更粘和像液體（圖S8）。接著來看機(jī)械性能測(cè)試，圖2顯示，所得的PDMS–SS–IP–BNB膜具有極高的拉伸性和良好的機(jī)械強(qiáng)度。研究者認(rèn)為其高拉伸性歸因于超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)動(dòng)態(tài)鍵合特征的協(xié)同相互作用。材料的機(jī)械性能取決于PDMS、SS、BNB和IP單元的比例，尤其是，較高的BNB-BNB交聯(lián)（強(qiáng)氫鍵）密度會(huì)產(chǎn)生較高的機(jī)械強(qiáng)度。在超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)中，BNB之間以協(xié)
作的方式形成強(qiáng)氫鍵（四重氫鍵），從而允許更強(qiáng)的BNB-BNB交聯(lián)將彈性體保持在一起以獲得彈性（圖1b）。聚合物主鏈中三種動(dòng)態(tài)鍵合位點(diǎn)的協(xié)同作用提供了強(qiáng)大的交聯(lián)相互作用和能量耗散機(jī)制，提供了鍵斷裂，交換和重整的多種模式。這可能對(duì)所得的PDMS-IP-SS-BNB材料的機(jī)械強(qiáng)度有利。
3.?普遍的自我修復(fù)能力
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PDMS-IP-SS-BNB可以在極端條件下實(shí)現(xiàn)快速的自主自我修復(fù)，包括在室溫（10min愈合）、超低溫（?40°C）、水下（93％愈合效率）、過冷的高濃度鹽水（-10°C 下30％NaCl溶液中室溫愈合效率89％）和強(qiáng)酸/堿環(huán)境（pH=0或14，愈合效率88％或84％）（圖3）。這些性質(zhì)歸因于動(dòng)態(tài)強(qiáng)氫鍵和弱氫鍵與強(qiáng)二硫鍵的協(xié)同相互作用。這極大的擴(kuò)展了其的應(yīng)用領(lǐng)域。
4.?應(yīng)用-一種自愈可伸縮的導(dǎo)電裝置
PDMS–SS–IP–BNB彈性體具有出色的機(jī)械性能，可拉伸性和普遍的自愈特性，非常適合應(yīng)用于導(dǎo)電設(shè)備中的導(dǎo)體。因此，作者使用液態(tài)金屬EGaIn作為導(dǎo)線，并使用P3彈性體作為封裝和支撐層，制造了一種可拉伸的自修復(fù)導(dǎo)體（圖4a）。當(dāng)導(dǎo)線切成兩半時(shí)，電路斷開，導(dǎo)致LED熄滅。當(dāng)兩個(gè)部分重新連接在一起時(shí)，電導(dǎo)率立即恢復(fù)，而機(jī)械性能需要10分鐘才能恢復(fù)（圖4b）。此外，愈合的導(dǎo)線在拉伸至150％時(shí)仍保持導(dǎo)電性。
總結(jié)
研究者開發(fā)了一種具有普遍自主性的自修復(fù)和高拉伸彈性體，該彈性體將多個(gè)動(dòng)態(tài)鍵作為超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)劑協(xié)同作用。它們的動(dòng)態(tài)性質(zhì)使它們可以斷裂和重整，從而使彈性體具有優(yōu)異的拉伸性和自我修復(fù)性能。該彈性體在環(huán)境條件和惡劣條件下均具有普遍的自愈能力而無需外部刺激或添加劑。這種材料具有在普遍條件下自動(dòng)自我修復(fù)的能力，使其有望在廣泛的應(yīng)用中使用，例如人造皮膚，并且可以使涉及海戰(zhàn)和極地地區(qū)的電子通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。
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