科幻電影《終結者2》中的液體金屬殺手機器人擁有不死之身，每當身體遭受槍擊時(shí)都能自動(dòng)愈合。這種神奇自動(dòng)愈合能力如今已不只存在于科幻世界中，日前，天津大學(xué)張雷、楊靜團隊研發(fā)的“全天候自愈合材料”，無(wú)須借助任何外界幫助，能在嚴寒、深海和強酸堿等極端條件下，實(shí)現全天候快速自愈合，有望成為機器人、深海探測器和極端條件下各類(lèi)高科技設備的“超級電子皮膚”。相關(guān)成果發(fā)表在國際權威期刊《自然·通訊》上。
“磁力紐扣”設計實(shí)現自愈合
天津大學(xué)團隊研發(fā)的“全天候自愈合材料”是一種超分子聚合物。它能模擬皮膚功能，具有高拉伸性，可以快速修復損傷。這種神奇的自動(dòng)愈合功能是如何實(shí)現的呢?這就要歸功于將多重動(dòng)態(tài)鍵融入低玻璃化溫度的聚合物主鏈這種超分子設計。
“多重動(dòng)態(tài)鍵的協(xié)同相互作用，是我們此次研發(fā)‘全天候自愈合材料’開(kāi)創(chuàng )性的構思。”青年教師楊靜介紹，“動(dòng)態(tài)鍵就像‘磁力紐扣’。一旦材料破損，破損面的‘磁力紐扣’被解開(kāi)，但通過(guò)分子間的相互作用力，它們可以互相吸引，再重新扣到一起，從而達到自愈合的效果。”
“全天候自愈合材料”中的“磁力紐扣”可以反復多次實(shí)現斷開(kāi)和重連。根據實(shí)驗結果顯示，這種新型自愈合材料在室溫下可實(shí)現10分鐘內快速愈合，愈合后可承受超過(guò)自身重量500倍的重物。在零下40攝氏度低溫、過(guò)冷高濃度鹽水甚至在強酸強堿性環(huán)境中都表現出了高效的自愈合性能，實(shí)現24小時(shí)內自愈合。
無(wú)懼極寒、深海等極端條件
長(cháng)期以來(lái)，現有的自愈合材料一直在極地嚴寒、深海水下、強酸強堿等環(huán)境下表現不佳，如何在極端條件下快速自我修復成為自愈合材料難以逾越的技術(shù)瓶頸。
張雷教授說(shuō)：“低溫、水下等極端環(huán)境會(huì )顯著(zhù)抑制材料自愈合的能力。因為低溫下材料會(huì )變硬，從分子層面看，就是分子流動(dòng)性減弱了，動(dòng)態(tài)鍵也就無(wú)法隨著(zhù)分子鏈流動(dòng)重連。而在水下環(huán)境，水分子進(jìn)入破損界面，也會(huì )阻礙動(dòng)態(tài)鍵的重連。”
“為了增強材料的自愈合能力，實(shí)現在各種條件下的自愈合，我們設計了多種類(lèi)型的‘磁力紐扣’，也就是多重動(dòng)態(tài)鍵，包括強氫鍵、弱氫鍵和雙硫鍵，這樣就能保證‘磁力紐扣’在任何極端條件下，都能重新自動(dòng)扣上。”楊靜說(shuō)。
同時(shí)，張雷指出，他們采用的低玻璃化溫度的聚合物主鏈，在低溫下也能維持良好的微觀(guān)流動(dòng)性，這種聚合物也具有一定的疏水性，可以輔助極低溫、過(guò)冷鹽水等極端環(huán)境下“磁力紐扣”的重連。
可作為外星探測機器人的皮膚
“基于這些性能，自愈合材料的應用前景非常廣闊，比如軟體機器人等。當然最重要的應用就是打造‘電子皮膚’。”張雷介紹，由于自愈合材料具有很強的延展性，能拉伸140倍，因此可用于機器人肘關(guān)節、膝關(guān)節、指關(guān)節等部位的皮膚，滿(mǎn)足各種情況的拉伸;同時(shí)，其自愈合功能對海洋工程、極地、高空、工業(yè)廢水處理等極端環(huán)境作業(yè)具有重要意義。比如火星、月球探測機器人，在極端環(huán)境中作業(yè)，很容易出現破損，如果得不到及時(shí)修理，很可能影響機器人的功能。
“下一步我們計劃將材料應用于電子皮膚傳感器，讓極限環(huán)境下的機器人能夠感知體表的壓力、水流、溫度等，為先進(jìn)電子設備打造真正的‘智能皮膚’。”張雷和楊靜都對“全天候自愈合材料”的應用前景充滿(mǎn)信心。(記者 陳 曦 通訊員 焦德芳)
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