以蜻蜓翅為靈感，南京理工學者攻克可修復材料脆性斷裂難題！近紅外光照30秒即可自修復劃痕，斷裂韌性提高50多倍 | 專訪

1907 年的一次大橋事故，導致了這一悲劇，其發(fā)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(jīng)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(chǎn)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(yè)。
而現(xiàn)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(lián)合攻克了剛性可修復材料脆性斷裂的難題。
6 月 10 日，相關論文以《受蜻蜓翅膀啟發(fā)的建筑制作了一種堅硬而堅韌的可修復材料》（Dragonfly Wing-Inspired Architecture Makes a Stiff yet Tough Healable Material）為題，發(fā)表在 Cell Press 旗下期刊 Matter 上。
傅佳駿告訴 DeepTech，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(yè)、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(fā)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(wǎng)絡結構，可起到協(xié)同增強作用。
研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，上面的分級結構非常有規(guī)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(yōu)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(fā)，傅佳駿開發(fā)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(wěn)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(jù)悉，在分子層面，非共價相互作用能實現(xiàn)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(lián)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(lián)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(fā)現(xiàn)，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?yōu)轫g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(jīng)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(fā)現(xiàn)，與無序的結構相比，基于 MXene 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(wěn)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(jù)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(xiàn)為材料局部區(qū)域或全部區(qū)域提供能量，進而實現(xiàn)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(lián)組裝體的動態(tài)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(wǎng)絡內部，有一種連續(xù)的 MXene 三維互聯(lián)骨架結構，該結構具有近紅外響應的功能。同時，MXene 三維互聯(lián)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(lián)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生于互聯(lián)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(lián)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)當周圍環(huán)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(tài)轉變?yōu)殡x解狀態(tài)。
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(lián)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?yōu)闊崃?，而三維互聯(lián)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(xiàn)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(yè)、智能建筑、航空航天等領域的材料修復帶來更多前景。
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