以蜻蜓翅為靈感，攻克可修復材料脆性斷裂難題

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1907年的一次大橋事故，導致了這一悲劇，其發生于加拿大魁北克省的魁北克橋之下。

作為目前全球最大的懸臂橋，魁北克橋曾于1995年被指定為加拿大國家歷史遺址，如今每天都有很多上班族經過這座橋。

它全長987米、跨度549米、高95米，其原計劃于1907年夏完工，但由于材料產生脆性斷裂，沒有機會補救，最終釀成大禍。雖然通過任命新任工程師，該橋最終得以竣工。但這段歷史，仍然警示著如今的橋建筑行業。

而現在，材料脆性斷裂的難題已得到相應解決，這要從和大橋看似沒有任何關系的蜻蜓說起。

從嬌小蜻蜓，到硬韌材料

“小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上頭。”宋代詩人楊萬里對蜻蜓的描寫，曾啟蒙了不少人對于蜻蜓的初始認知。

幾百年后，南京理工大學化工學院傅佳駿教授以蜻蜓翅膀為靈感，聯合攻克了剛性可修復材料脆性斷裂的難題。

傅佳駿表示，多年來其一直從事高強度、高模量的可修復材料，這類材料在航空航天、汽車工業、智能建筑等領域有著廣泛應用。

但是，當前基于超分子相互作用的剛性可修復材料都存在脆性斷裂的弱點，嚴重時會帶來材料的災難性斷裂，進而引發安全事故。

那么，小小的蜻蜓翅膀是怎么引申到預防安全事故呢？具體來說，無論是從微納尺度、還是宏觀尺度，蜻蜓翅膀都具有獨特的分級結構，該結構給予它以出色的力學性能。

即使面對機械變形，蜻蜓翅膀中剛性的翅脈也能抵抗得住。嵌入蜻蜓翅脈中的翅膜，還能分散外界作用力，由翅脈和翅膜組成的連通型混合網絡結構，可起到協同增強作用。

研究發現，雖然蜻蜓翅膀非常輕，但它的比強度和比剛度竟然高于商用航空鋁合金。仔細觀察蜻蜓翅膀就會發現，上面的分級結構非常有規則，并且還具備獨特的止裂效果。

再加上這種翅膀具備較好的韌性、以及優秀的承載能力和抗疲勞能力，因此即便遭受空氣摩擦， 翅膀也不會折斷。

受此啟發，傅佳駿開發出一系列本征自/可修復聚合物材料，這些仿生復合材料基于超分子的相互作用如氫鍵、配位鍵和離子鍵等，因此具備良好的熱穩定性、快速光控可修復能力、以及電磁屏蔽能力，這樣一種集成多功能的堅韌型復合材料，應用前景十分可觀。

另據悉，在分子層面，非共價相互作用能實現可逆性斷裂結合，因此在理論上這些材料具備無限次的修復能力，并且還能修復導電、傳感、抗腐蝕等原有功能。

研究中，傅佳駿聯合團隊以定構加工為思路，通過模仿蜻蜓翅膀微結構，給可修復聚合物基體植入三維互聯的仿蜻蜓翅膀微結構骨架，原本硬而脆的的可修復聚合物，變得堅硬而堅韌。

相比初始材料，該團隊制備出的仿生復合材料在綜合力學性能上得到較大提高：其中斷裂韌性提高54.3倍，強度提高25.0倍，應變提高7.9倍，剛度提高3.8倍。

通過對比實驗，傅佳駿發現，給聚合物基體加入等量無歸分散的MXene納米片，增強效果比較有限，遠不如具有仿生微結構的復合材料。

采用復合材料定構加工策略，攻克脆性斷裂難題

事實上，很多著名建筑都模仿過蜻蜓翅膀結構，比如北京鳥巢的鋼筋架構就是案例之一。因此，傅佳駿和團隊一開始就考慮到，把這種結構引入到脆性可修復聚合物基體，看是否可以把其變為韌性斷裂材料。

這時就用到了四川大學傅強老師在高分子成型加工領域的經驗，最終他們采用復合材料定構加工的策略。

具體操作時，先把聚合物磨成均勻的微小顆粒，再在顆粒表面包裹一種功能納米片，然后采用一體化熱壓法讓材料成型，這樣即可把仿蜻蜓翅膀微結構引入到聚合物基體，剛性可修復材料脆性斷裂的難題也得以解決。

傅佳駿還發現， 與無序的結構相比， 基于M X e n e納米片的仿生微觀結構，在紅外光和熱量的傳導過程可起到更大的作用， 并能借此讓相應復合材料、具備快速光控修復的性能。

對比起先的可修復材料，材料熱穩定性也可得到提高，并且還附帶可修復的電磁屏蔽功能。

另據悉， 本次傅佳駿制備出的SPM（SP/MXene）納米復合材料，由于具備受熱自愈能力，使用加熱方式或光刺激方式，即可實現為材料局部區域或全部區域提供能量，進而實現機械損傷的修復。

其原理在于，在室溫條件下，SPM納米復合材料剛性超的分子交聯組裝體的動態性較差，只要遇到一定的熱刺激，分子量即可明顯降低，鏈的流動性會被增強，裂紋也可借此得到修復。

此外，SPM納米復合材料的聚合物網絡內部，有一種連續的MXene三維互聯骨架結構，該結構具有近紅外響應的功能。同時，MXene三維互聯骨架結構會給材料帶來出色的熱傳導能力。

當用近紅外光照射SPM納米復合材料，它會快速生成熱量， 這些熱量會沿著MXene三維互聯骨架結構蔓延開，從而讓機械損傷的修復得以更快進行。

結合原位掃描電鏡，傅佳駿還展開了有限元模擬實驗，結果發現就初始可修復聚合物材料來說，它的單邊缺口梁實驗的最大應力，集中于材料的裂紋尖端。

而仿生復合材料的最大應力，產生于互聯的MXene骨架里，所以這種材料的裂紋尖端應力，遠遠不如初始的可修復材料。

也就是說，仿生復合材料中的三維互聯仿生結構，可起到類似蜻蜓翅膀中翅脈的功能，因此可以承載來自外界的大量作用力，如此便可減少裂紋尖端的應力集中，從而提高復合材料的斷裂韌性。

為驗證本次成果，該團隊進行了電鉆打孔實驗并發現，仿生復合材料可以輕易地打孔，初始的可修復材料則不能打孔，這證明兩者具備完全迥異的斷裂特征。

從該團隊的對比實驗視頻也可發現，該研究的仿生復合材料的增強增韌功能，遠遠強于此前報道的復合材料。

30秒，即可修復表面劃痕

仿生復合材料還具備較好的自修復性能，傅佳駿發現當周圍環境逐漸升高，可修復聚合物基體中的UPY氫鍵，會慢慢從結合狀態轉變為離解狀態。

在加熱過程中，組裝體的分子量和模量也可得到暫時性降低，聚合物鏈的流動性會因此增強，而這種流動性可幫助聚合物進行修復，這說明初始的可修復材料具備較好的加熱修復能力。

另外，仿生復合材料中的MXene三維互聯骨架，還具備一定光熱轉換能力和熱傳導能力，因此可把近紅外光變為熱量，而三維互聯的骨架結構可幫助快速傳遞熱量。

這意味著，仿生復合材料能實現遠程、快速、高精度的原位光控修復過程。相關修復實驗顯明，在近紅外光照射30秒后，該仿生復合材料樣品即可修復表面劃痕、及其自身機械性能。

事實上，早在20世紀60年代，自修復材料的設想就被提出。自修復指的是，材料在受損時可通過化學反應或自我修復，讓自己具備和修復前同等的功能。而這種材料真正獲得相應突破，還是在進入本世紀之后。

相比通過加熱方法去修復材料，具備光控修復能力的材料， 還可進行遠程操控修復，這會給汽車工業、智能建筑、航空航天等領域的材料修復帶來更多前景。