科幻電影《終結(jié)者2》中的液體金屬殺手機(jī)器人擁有不死之身，每當(dāng)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(tuán)隊(duì)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(yán)寒、深海和強(qiáng)酸堿等極端條件下，實(shí)現(xiàn)全天候快速自愈合，有望成為機(jī)器人、深海探測(cè)器和極端條件下各類高科技設(shè)備的“超級(jí)電子皮膚”。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《自然·通訊》上。
“磁力紐扣”設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自愈合
天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(fù)損傷。這種神奇的自動(dòng)愈合功能是如何實(shí)現(xiàn)的呢？這就要?dú)w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(shè)計(jì)。
“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’開創(chuàng)性的構(gòu)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，但通過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(dá)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(fù)多次實(shí)現(xiàn)斷開和重連。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種新型自愈合材料在室溫下可實(shí)現(xiàn)10分鐘內(nèi)快速愈合，愈合后可承受超過自身重量500倍的重物。在零下40攝氏度低溫、過冷高濃度鹽水甚至在強(qiáng)酸強(qiáng)堿性環(huán)境中都表現(xiàn)出了高效的自愈合性能，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)內(nèi)自愈合。
無(wú)懼極寒、深海等極端條件
長(zhǎng)期以來(lái)，現(xiàn)有的自愈合材料一直在極地嚴(yán)寒、深海水下、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等環(huán)境下表現(xiàn)不佳，如何在極端條件下快速自我修復(fù)成為自愈合材料難以逾越的技術(shù)瓶頸。
張雷教授說：“低溫、水下等極端環(huán)境會(huì)顯著抑制材料自愈合的能力。因?yàn)榈蜏叵虏牧蠒?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(qiáng)材料的自愈合能力，實(shí)現(xiàn)在各種條件下的自愈合，我們?cè)O(shè)計(jì)了多種類型的‘磁力紐扣’，也就是多重動(dòng)態(tài)鍵，包括強(qiáng)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。
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、過冷鹽水等極端環(huán)境下“磁力紐扣”的重連。
可作為外星探測(cè)機(jī)器人的皮膚
“基于這些性能，自愈合材料的應(yīng)用前景非常廣闊，比如軟體機(jī)器人等。當(dāng)然最重要的應(yīng)用就是打造‘電子皮膚’。”張雷介紹，由于自愈合材料具有很強(qiáng)的延展性，能拉伸140倍，因此可用于機(jī)器人肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)等部位的皮膚，滿足各種情況的拉伸；同時(shí)，其自愈合功能對(duì)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(cè)機(jī)器人，在極端環(huán)境中作業(yè)，很容易出現(xiàn)破損，如果得不到及時(shí)修理，很可能影響機(jī)器人的功能。
“下一步我們計(jì)劃將材料應(yīng)用于電子皮膚傳感器，讓極限環(huán)境下的機(jī)器人能夠感知體表的壓力、水流、溫度等，為先進(jìn)電子設(shè)備打造真正的‘智能皮膚’。”張雷和楊靜都對(duì)“全天候自愈合材料”的應(yīng)用前景充滿信心。（記者 陳 曦 通訊員 焦德芳）
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