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新材料自我修复抗老化

发布时间: 2019-03-26 14:58:55   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:        字号:[ 常规 ]

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科学家预言,今后等一切人造材料在内都有可能具有自我修复的功能,自主地应对老化。在资源日趋减少的今天,有效地利用自我修复性,延长物品的使用寿命,这从另一方面也缓解了日益严重的环境问题。 

边修复边生长

强度很小的物质构成的人类寿命却有百年左右。这是为什么呢?原来我们人体能够一边自我修复损坏的地方一边继续生长。科学家受此启发将生物自我修复的机理用于人造材料,结果取得成功,制造出寿命更长的材料。科学家认为,如果材料自我修复手段真正实现,这将对今后的产品产生革命性的改变。

迄今为止,我们日常使用的材料有容易老化、产品寿命短的缺点。为此,开发尽可能不老化的材料是材料研究的重大课题。最近,这个课题有了进展,科学家研究出一种能自发修复内部 “劳伤”的全新材料,它在自我修复的过程中需要氧气,而且有趣的是一旦修复完了,它竟然“有排泄物”排出。据说,这种已在具体的产品上开始使用。

制造抗老化的材料一直是科学家的目标,就拿塑料来讲,尽管做了许多改进,但现在日常看到塑料的寿命至多也不过10年。世上的塑料可大体分为三类,即“通用塑料”“工程塑料”以及“超工程塑料”。通用塑料有聚苯乙烯、聚乙烯以及氯乙烯等,它们用于制造日常生活用品,寿命5~6年左右。工程用塑料有聚碳酸酯、聚酰胺和聚氧化甲烯等,它们一般用于制造汽车的零件、电器电子用品,价格一般比通用塑料高,寿命约10年。超工程塑料仅在特殊环境下使用,如制造主要用于航空航天用品,其价格昂贵,使用寿命可达100年。   

塑料出现“劳伤”

塑料是由碳和氢以及氧结合成的纤维状结构高分子。这种高分子的纤维之间错综地络合在一起,是塑料作为固体具有的强度。在普通的塑料里,每一条纤维大约有7处络合在一起,这是保证塑料使用的安全强度。塑料老化是由于纤维被切断引起的。其原因是太阳的紫外线或人类使用中施加的外力导致的。假定7处络合在一起的纤维正中附近断了,于是一条纤维就变为二条纤维,这个反应过程被称之塑料的老化。

大凡人们都有这样的体验,一直被太阳晒的塑料桶灌满水,刚想提起来,只听见嘎叭一声响,提手与塑料桶断裂。这种状况可以说每条纤维已有多处断裂。通常塑料随着使用时间越长老化越严重。为此在制品的材料里已掺入一些紫外线吸收剂,以抑制老化,或者在制品外表涂上油漆以抗老化,尽管如此,老化依旧进行。

科学家研制的“自我修复塑料”是将断开的高分子再自发地接上,以消除老化。当然这并非是说寿命可以无限长,但是与普通的塑料相比,老化进程较慢,使用时间明显延长。 

自我修复不可缺

早在1997年,科学家就开发出的能够自我修复的材料,是一种叫聚苯醚的工程塑料。成功的关键是开发了为应急处理伤用的“橡皮膏”和治伤的“修补剂”。修补的原理十分简单,首先假定在某些外因作用下,这时担负分子结合的电子错开,导致高分子被切断,出现自由的电子,老化开始。由此,预先置入的修补剂向这个自由电子靠近。在聚苯醚,铜起到了这个修补剂的作用。开始,铜以2价(缺少2个电子)的状态存在,当它从断开部分得到一个电子后变成1价。这个过程稍微复杂,但是概略地讲,通过这样的氧化还原反应,中断的部分就被恢复成原样。

这时,重要的可说是起“橡皮膏”作用的氢。为了供给氢,使聚苯醚具有自我修复能力,已预先在聚苯醚中置入了“氢供给剂”,当断裂出现时,氢来到断开部分产生的自由电子处进行结合。如果没有氢供给剂的应急处理,聚苯醚的高分子内部可能出现“拆东墙补西墙”现象,于是在各处连锁产生自由电子,有可能造成材料“伤痕累累”。 

诞生全新学科

对于化学反应的条件,很多人认为只能在水溶液中或气态中,即反应分子能流动的地方。这个常识妨碍了对自我修复反应的理解。其实,材料自我修复引起的化学反应涉及到的只有1023规模的分子,与普通的化学反应完全不同,也无法使用“化学平衡”等概念,也许这是一门全新科学的领域,需要从理论上进一步研究。另外,科学家在进行这项研究中还发现,自我修复反应优先发生在老化最厉害的部分,一旦高分子断开部分增加理应引起的修复反应也多,但是结果是老化严重的部分优先修复。由此专家开始将研究方向转移到延伸塑料的寿命上了。

目前日本约50家企业推出以自我修复塑料为原料的具体产品,这些产品主要是电化产品。因为这些产品经常受光或热曝晒容易老化。另外,汽车部件使用自我修复塑料后,寿命也明显延长。

在材料研究中,所谓“自我修复”概念以前就有,但是从未见过有实物。科学家制造出实物,显示“自我修复”是可能的。由此,科学家进行相应各种材料的自我修复性的研究。如果自我修复材料被人们日常使用,或许不久自我修复性将作为产品的标准。总之因产品的寿命显著延伸了,表明了产品的可靠性和性能都提高了。如果损坏的物品能够像一些生物受伤那样自我修复该有多好呀。其实,人们的这个愿望也是科学家一直在努力研究的一个课题。