多种极端条件下可自愈合材料

自愈合材料可以模仿人类皮肤组织自我修复,显著提高材料的使用寿命和安全性,因此在电子皮肤、海洋涂料、生物医药等领域具有广泛的应用。但在极地严寒、过冷海下等极端环境,材料不通过任何外界能量刺激(如红外、加热等)辅助自主修复,一直是自愈合材料领域未能解决的难题。这是由于当现有可愈合材料在海水里损伤时,水分子会阻挡材料损伤界面的动态键重连;而在低温环境下损伤时,材料内化学或物理键的动态特性会被显著抑制,聚合物体系结晶变硬,失去微观流动性,以致材料的自愈合性能丧失。

近日,天津大学化工学院生物化工系张雷教授课题组在国际知名学术刊物《Nature Communications》(自然·通讯)上发表关于多种极端环境自愈合材料的研究。天津大学化工学院博士研究生郭洪爽为论文的第一作者,张雷教授青年教师杨静为通讯作者,天津大学化工学院为论文的第一完成单位。该研究得到了“青岛海洋科学与技术试点国家实验室基金”、国家基金委“优青”基金、青年基金以及博士后面上项目等支持。

多种极端条件下可自愈合材料

该工作利用可形成强氢键、弱氢键的不同亲水基团,并结合双硫动态键形成协同作用机制,设计合成出可在多种极端条件下快速自愈合的弹性体材料(如图1)。该设计的关键之处是基于多个动态键的协同相互作用,包括强交联氢键(BNB–BNB),弱交联氢键(IP–IP,IP–BNB或IP)和双硫键(S–S)。将这些动态键引入聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物主链中,自发形成动态超分子聚合物网络PDMS-SS-IP-BNB(图1A和B)。在PDMS-SS-IP-BNB中,亲水基团强氢键的作用主要是赋予材料弹性,弱氢键通过可逆键断裂和重构进行应力耗散,双硫键主要赋予材料快速修复和部分的应力耗散。基于这些动态键的协同作用,PDMS-SS-IP-BNB具有极高的拉伸性,无缺口损伤时,可拉伸至其原始长度的14,000%不会断裂;当材料遭受缺口损伤时,材料仍能拉伸至原长的1,300%。

多种极端条件下可自愈合材料
图1.具有高拉伸性和极端条件自愈合能力的PDMS–SS–IP–BNB材料分子设计
多种极端条件下可自愈合材料
图2. PDMS–SS–IP–BNB的“全天候”自愈合性能。

更为重要的是,PDMS-SS-IP-BNB具有“全天候”自愈合性能。在室温下,可10分钟内快速愈合,愈合后可承受其自身重量526倍的重物。在各种极端环境条件下,如水下(自愈合效率93%),极低温(−40°C),过冷高浓度盐水下(−10°C的30%NaCl溶液,自愈合效率89%),甚至在强酸性/碱性环境中(pH = 0或14,自愈合效率88%或84%),皆表现出优异的自愈合性能,如图2所示。本工作对实现自愈合材料在海洋工程、极地、高空、工业废水处理中等极端环境下的多种应用具有重要意义。

论文链接:

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

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