自修復材料應用廣闊，前景可期

相信很多人都看過《X戰警》和《終結者》這兩部科幻電影，影片中金剛狼和液態金屬機器人T-1000都具有神奇的自修復能力，普通的槍械無法對它們造成致命的傷害。這樣的場景可能讓人覺得不可思議，其實，這樣的事情在現實中并非遙不可及。在自然界中，自修復現象比比皆是：DNA結構被破壞之后能夠恢復原樣；人的皮膚被割破后會很快愈合；橡膠樹的樹皮破損時也能迅速得到再生。受大自然的啟發，人們設計合成了許多自修復高分子材料，它們能夠自行發現裂紋，并通過一定的機理將裂紋重新填補、自行修復，從而可有效延長材料的使用壽命，提高材料安全性，減少廢棄物，具有廣闊的應用前景。

實現途徑

為了追求高強度及高柔韌性，傳統材料通常都是由不可逆的共價鍵構筑而成的。這種共價鍵在斷裂之后無法再重建，因此傳統材料并不具有自修復功能。近年來，為了使材料具有自修復功能，人們普遍采取兩種途徑得到自修復材料。

一種是模擬人體的受傷及修復過程。人體內的血管如同縱橫交錯的河流，分布在我們身體內的每個角落。皮膚被劃破后會流血，血液中的活性成分使得傷口結痂然后愈合。因此，我們可將催化劑和修復液分別裝進微脈管或微膠囊中，然后將微脈管或微膠囊分散在聚合物里。當材料遭受外力產生裂紋時，微脈管或微膠囊發生破裂，使催化劑和修復液迅速釋放。修復液在催化劑的作用下發生交聯聚合反應，生成新的網絡大分子，阻止裂紋的擴展，從而完成對裂紋的自修復。

另一種方法是將可逆共價鍵（例如亞胺鍵、酰腙鍵和雙硫鍵等）或非共價弱相互作用（例如氫鍵、配位鍵、靜電吸引、主客體相互作用、π-π堆積作用等）引入到高分子骨架中，這些化學鍵在外界因素（例如pH、溫度等）的影響下，鍵的斷裂和形成可以達到可逆的動態平衡。因此，當這些鍵斷裂以后，通過加熱、光照、調控pH值等手段，或者在無外界刺激的情況下，就可重新形成化學鍵，從而達到修復的目的。

這兩種方法各有優缺點。微膠囊體系材料力學強度好、修復效率高，但是，修復液和催化劑是消耗性的，因此不能在同一個位置多次修復。基于動態化學鍵的修復材料與化學鍵的強度相關，可逆共價鍵的自修復材料力學強度好、可多次修復，但需要外界刺激才能實現；基于非共價鍵弱相互作用的自修復材料不需要任何外界刺激便可反復修復，但材料力學性能較差。因此，在實踐中需要根據實際要求選擇合適的自修復材料。

應用示例

目前，自修復材料已經開始應用于日常生活和軍用裝備領域。

●自動修復輪胎

在日常生活中，大家都遇到過或者見過車輛輪胎被扎的情況。一旦車胎不小心被釘子扎破，輕則導致整個輪胎報廢，重則直接車毀人亡。2014年，法國米其林公司在當時的米其林必比登挑戰賽中，展示了其新研發的“自動修復輪胎”產品。新型輪胎的內壁涂有一層膠料，該膠料富含50%以上的天然橡膠，涂抹之后會在輪胎內壁形成一層3～5毫米的輪胎保護涂層。一旦輪胎被扎，這層膠體會立刻填充漏洞，從而車輛可以繼續行駛。該技術在帶來這一關鍵優勢的同時，不會犧牲輪胎的其他性能。未來，如果車輛都使用這樣的輪胎，那么完全可以放棄備胎，為車輛減重近30千克，并增加車內空間。

●車體劃痕復原涂料

車體劃痕復原涂料技術是日產公司與日本立邦公司合作研發的一項創新的汽車油漆技術。它的原理是在常規的透明清漆中添加特殊高彈性樹脂，使漆面柔軟性、樹脂黏合密度以及強韌性得到大幅度的提高。特殊樹脂的原料是氨基甲酸酯丙烯，它的作用是當油漆表面受熱后，高彈性樹脂變軟并填滿劃傷處的凹痕，從而使劃痕得到修復。在日產公司的某些車型中，可自修復的高彈樹脂透明漆已經代替了傳統的清漆。日產公司表示這項技術與此前的涂裝相比，可將擦傷程度降至原來的1/5。即使車輛出現嚴重的擦傷，在經過一段時間后，幾乎可以恢復至擦傷之前的狀態。若要加快這個過程可用熱水或熱風對此區域進行加熱。

●自修復生化防護服

眾所周知，生化防護服能夠使士兵免受外界有害化學物質、病毒、細菌等的侵害。然而，在士兵執行任務時，其生化防護服若被灌木、荊棘、樹叢、石頭或針狀金屬刺透，則會產生針孔大小的破損，雖然肉眼不易覺察，但如果在生化沾染地區活動，遭到VX化學彈藥等殺傷力極高的毒氣襲擊，士兵很可能還沒反應過來就喪命了。2015年11月，美國陸軍網站透露，美國陸軍納蒂克士兵研究開發與工程中心、馬薩諸塞大學洛厄爾分校與美國粹通公司（Triton）合作研發了用于生化防護服的自修復技術。該技術采用了含微型膠囊修復流體的衣服面料，當微型膠囊被撕破時，它將被激活來修復切口、刺孔或破損處。這種自修復技術有助于對致命的化學品、細菌和病毒建立物理屏障，從而為參戰士兵提供及時、不間斷的生化防護。

●武器裝備防腐

自修復材料的另一個軍事用途是在武器裝備的防腐方面。目前，武器裝備大多以金屬制品為主，而金屬銹蝕會給武器裝備造成極大的危害。它會破壞武器裝備的外表光澤與表面結構；若是機械配合件，銹蝕后會導致螺絲、螺母等配合件松動或者銹死；銹蝕中含有水、空氣、電解質等，會加速武器氧化，進而造成損壞。據統計，每年因金屬銹蝕而報廢的軍事設備與材料占裝備總數的5%以上，金屬銹蝕還會造成武器裝備維修與保護費用的劇增。2014年，美國海軍研究局和約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室聯合開發了一種新的涂料添加劑，可以使海軍陸戰隊“聯合輕型戰術車輛”等軍用車輛的涂料具有類似于人體肌膚的自愈合功能，從而防止車輛銹蝕。他們的涂料添加劑由填滿油狀液體的聚合物微球組成，一旦劃傷，破損包膜處的樹脂便會在鋼材表面形成蠟狀防水涂層，防止車輛表面銹蝕，這種技術特別適合在惡劣環境下使用的軍用車輛。

前景與挑戰

如前所述，自修復材料在某些民用或軍用領域已經實現了具體應用。實際上，還有更多應用途徑已被各國科學家開發出來，雖然目前還處于實驗室階段，距離真正的應用尚有距離，但隨著技術的進步，實現大規模應用的可能性極大。這些應用將改變我們的日常生活，一些科幻場景將成為現實。例如，建筑墻體的裂紋能自動消失，無須再次噴漆；衣物破了也會自動愈合，無須縫補；橋梁、河堤、路面能夠自我翻新，不會老舊；電子設備的各種零件能夠自我修復，延長使用壽命……

然而，要實現自修復材料的應用，有兩個問題非常關鍵。

一是要使自修復材料實現的力學性質滿足實際應用的要求。目前的自修復材料大多存在力學性質和自修復性質不兼容的問題。因此，要通過可逆化學鍵的精心設計來獲得兼具優良力學性質和自修復性質的材料。目前，國內外相關研究團隊圍繞這個目標已經做了一些工作，得到了高強度或高彈性的自修復材料。然而，目前的進展還不盡如人意，存在高強度的材料不能室溫自修復、高彈性的室溫自修復材料力學強度不夠好等問題，缺乏能夠將高強度、高彈性以及室溫自修復全部結合在一起的材料。

二是要使自修復材料功能化和器件化。目前的自修復材料研究主要還是關注材料的力學性能，而要使自修復材料能夠得到應用，就必須將自修復材料與具有光、電、熱、磁性質的功能材料結合起來，得到具有發光、導電、磁性、導熱等功能的自修復材料。另外，一些重要的光電功能器件，例如太陽能電池、超級電容器、電致發光器件、電致變色器件等，在遇到碰撞、扭曲、折疊等外力作用時將產生局部裂紋甚至整體斷裂，發生電路斷路、器件局部甚至整體喪失功能等現象，縮短使用壽命。如果能將光電器件與自修復材料結合，則可以得到具有自修復性質的光電功能器件。這些器件將具有更好的環境忍耐度、更長的使用壽命和更廣闊的應用范圍，因而具有重要的研究前景和應用價值。

總之，自修復材料仍存在需要解決的問題和可以改進的空間，這些問題在幾年之內有望被破解，自修復材料應用于實際的場景是可以期待的。