會(huì)員動(dòng)態(tài)
多級(jí)次氫鍵仿生策略人工合成超韌性自修復(fù)材料取得重要進(jìn)展
近年來，受到大自然生物體啟發(fā)的人工合成智能自修復(fù)材料是國際前沿性課題。當(dāng)材料被賦予自修復(fù)性能后，其使用壽命可顯著延長，在航空航天、電子器件、化工新能源材料等領(lǐng)域具有非常重要的意義。通過引入超分子鍵弱相互作用，例如金屬配位鍵、氫鍵、主客體作用力等，材料可被賦予動(dòng)態(tài)可逆重構(gòu)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料損傷的自我修復(fù)，這是早期發(fā)展的合成策略。為了達(dá)到可修復(fù)的效果，自修復(fù)材料的力學(xué)性能往往較弱，導(dǎo)致其應(yīng)用大大受限。因此，構(gòu)筑具有優(yōu)異力學(xué)性能的自修復(fù)材料目前仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。最近，中國科學(xué)院過程工程研究所的李國良研究小組在國際著名期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志上發(fā)表了題為“Towards Dynamic but Supertough Healable Polymers through Biomimetic Hierarchical Hydrogen-Bonding Interactions”的文章，并被選為VIP (Very Important Paper)論文。
我們知道，生命體中的蛋白質(zhì)──肌聯(lián)蛋白（Titin）具有分子彈簧的作用，在肌肉損傷時(shí)可以自我修復(fù)，并且具有很好的韌性。研究表明，肌聯(lián)蛋白具有的獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)和超分子氫鍵作用是其性能優(yōu)異的主要原因。李國良研究小組通過模仿肌聯(lián)蛋白分子結(jié)構(gòu)，在高分子材料的分子設(shè)計(jì)中引入多級(jí)次氫鍵作用力，合成了具有超韌性和高拉伸強(qiáng)度的自修復(fù)材料。此合成策略制備的材料不僅具有可修復(fù)性能，而且修復(fù)后的拉伸強(qiáng)度高達(dá)44 MPa，同時(shí)具有大的形變及回彈性，韌性值高達(dá)345 MJm-3，是目前報(bào)道的可修復(fù)材料中的最大值。當(dāng)破損的薄膜材料完成自修復(fù)后，其可輕松提拉起10kg重物，且承重過后材料可以迅速恢復(fù)至原來的形狀。作者采用了原位變溫紅外等手段表征了多級(jí)次氫鍵的分子作用原理，小角散射手段驗(yàn)證了其微觀相分離結(jié)構(gòu)，從分子理論層面理解超韌性自修復(fù)材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。此項(xiàng)研究獨(dú)辟蹊徑，采用的多級(jí)次氫鍵作用仿生策略是人工合成自修復(fù)材料有效的新方法，為智能自修復(fù)材料的分子設(shè)計(jì)提供了獨(dú)特視角。
圖1. 基于多級(jí)次氫鍵仿生策略構(gòu)筑的超韌自修復(fù)高分子材料
圖2. 已經(jīng)報(bào)道的可修復(fù)材料的韌性值統(tǒng)計(jì)
上述工作的第一作者是宋妍博士，通訊作者為李國良研究員，該項(xiàng)研究得到了北京市科技新星等經(jīng)費(fèi)支持。此外，該成果申請(qǐng)了國家專利（申請(qǐng)?zhí)枺?01710658830.7）。由于聚氨酯薄膜材料用途廣泛，此項(xiàng)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果正在積極地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，希望能為國民經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
Song, Y.; Liu, Y.; Qi, T.; Li, G. L., Towards Dynamic but Supertough Healable Polymers via Biomimetic Hierarchical Hydrogen Bonding Interactions.Angewandte Chemie International Edition, 2018, DOI: 10.1002/anie.201807622.
