日常生活中,你总会遇到这种情况,当你进行野外登山时,好不容易爬到了山顶,但满山的树枝和荆棘不仅在你的衣服上划出了口子,还在你的身上留下了划痕。几天之后,皮肤上的划痕会自己愈合,直至恢复正常,可是衣服上的破洞依旧那么显眼。如果衣服上的口子也能像批复一样自我修复该有多好。然而,人类的皮肤这种能够在很大程度上对表面上造成的损伤进行止血、自我愈合等自修复功能,是常规的材料所做不到的。这是因为生物体中存活的健康细胞不断进行分裂和增殖,以取代死亡细胞和修复受损组织,这种生理机能被称为再生和自修复。
通过学习和借鉴在生物体中这种非常有用的自修复功能,科学家们正在努力开发自我修复材料。仿生自修复材料是一种可以感受外界环境的变化,通过模拟生物体损伤自修复的机理,在材料受损时能够进行自我修复的智能材料。在智能设备普及的今天,大屏已成为主流趋势,虽然大屏智能设备给我们带来了很好的视觉体验,但是屏幕磨损与碎裂的几率也随之增加。如果采用自修复材料制造智能手机屏幕,即使在摔碎之后也能自我修复,这将很大地增强用户的使用体验。
材料在长期的使用过程中,会不可避免地会产生局部损伤和裂纹,如果严重的话,甚至会宏观裂缝而发生断裂,影响材料正常使用。如果能够对裂纹进行早期修复,可以非常有效的提升材料的使用寿命。自修复的核心就是模仿生物体治愈创伤的原理,通过施加物质补给和能量补给,使得材料对内部或者外部的损伤进行自修复和自愈合,从而消除隐患,延长使用寿命。例如,宇宙飞船受到微流星的撞击,会产生细小、非常隐蔽的裂缝,势必造成极大的安全隐患,如果采用自修复船体材料,将识别损害的出现并立即自我修复,能大大延长宇宙飞船的使用寿命。
自修复材料
按照原理的不同,自修复材料可以分为两大类:一类主要是通过对材料的成分进行设计,使得其表面在加热、光照等外界能量供给的支持下能够产生交联作用(如氢键或化学键)、结晶或成膜等效果来实现修复;另一类主要是通过在材料表面或者内部分散或复合一些其它功能性物质来实现,这比如装有强力粘结剂的微胶囊、中空纤维或超细陶瓷粉体等,在材料产生裂纹后能够自动释放这些物质进行自我修复。基于这两大机理,自我修复的概念已经在高分子材料、金属、玻璃和混凝土等领域有所体现。
其中,高分子自修复材料是目前研究最多的材料类型。高分子材料的结合方式是基于原子间化学键和氢键,可以通过化学反应和结构设计来控制,为实现自修复提供了便利的条件。利用“光照”实现自修复的高分子材料的自修复能力极强,即使切成碎块,只要将边缘压在一起再用紫外线照射,就会重新结合。如果将这种材料用于手机屏幕,当产生划痕或裂纹,只需在阳光下暴晒数小时,便能完好如初。
还有一种利用天然高分子材料的氢键特性而设计的自修复材料,这种材料具有良好的可修复特性,在贴合后的两三秒时间内即可实现愈合,并且力学和导电性能可恢复至原材料的98%,可用于临时的电路修复、可穿戴传感器以及柔性电子器件等。此外,金属自修复材料可以在金属摩擦的工作面上形成保护层,及时地修复金属表面产生的磨损和划痕。混凝土自修复材料可以大大提升桥梁和建筑的使用寿命和安全性。
新型自修复材料的重大意义在于能够提高材料的利用率、延长材料使用寿命,避免资源与资金的浪费,对于节约资源、实现可持续发展具有重大意义。随着自修复材料的快速发展,已经受到越来越多关注,其应用范围极为广泛,可以预见未来将在包括机械、电子、军事汽车、航天、建筑等领域大行其道。