國產超級皮膚靠分子間“磁力紐扣”自動癒合

本報記者 陳 曦 通訊員 焦德芳

科幻電影《終結者2》中的液體金屬殺手機器人擁有不死之身，每當身體遭受槍擊時都能自動癒合。這種神奇自動癒合能力如今已不只存在於科幻世界中，日前，天津大學張雷、楊靜團隊研發的“全天候自癒合材料”，無須藉助任何外界幫助，能在嚴寒、深海和強酸鹼等極端條件下，實現全天候快速自癒合，有望成為機器人、深海探測器和極端條件下各類高科技設備的“超級電子皮膚”。相關成果發表在國際權威期刊《自然·通訊》上。

“磁力紐扣”設計實現自癒合

天津大學團隊研發的“全天候自癒合材料”是一種超分子聚合物。它能模擬皮膚功能，具有高拉伸性，可以快速修復損傷。這種神奇的自動癒合功能是如何實現的呢？這就要歸功於將多重動態鍵融入低玻璃化温度的聚合物主鏈這種超分子設計。

“多重動態鍵的協同相互作用，是我們此次研發‘全天候自癒合材料’開創性的構思。”青年教師楊靜介紹，“動態鍵就像‘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，從而達到自癒合的效果。”

“全天候自癒合材料”中的“磁力紐扣”可以反覆多次實現斷開和重連。根據實驗結果顯示，這種新型自癒合材料在室温下可實現10分鐘內快速癒合，癒合後可承受超過自身重量500倍的重物。在零下40攝氏度低温、過冷高濃度鹽水甚至在強酸強鹼性環境中都表現出了高效的自癒合性能，實現24小時內自癒合。

無懼極寒、深海等極端條件

長期以來，現有的自癒合材料一直在極地嚴寒、深海水下、強酸強鹼等環境下表現不佳，如何在極端條件下快速自我修復成為自癒合材料難以逾越的技術瓶頸。

張雷教授説：“低温、水下等極端環境會顯著抑制材料自癒合的能力。因為低温下材料會變硬，從分子層面看，就是分子流動性減弱了，動態鍵也就無法隨着分子鏈流動重連。而在水下環境，水分子進入破損界面，也會阻礙動態鍵的重連。”

“為了增強材料的自癒合能力，實現在各種條件下的自癒合，我們設計了多種類型的‘磁力紐扣’，也就是多重動態鍵，包括強氫鍵、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，都能重新自動扣上。”楊靜説。

同時，張雷指出，他們採用的低玻璃化温度的聚合物主鏈，在低温下也能維持良好的微觀流動性，這種聚合物也具有一定的疏水性，可以輔助極低温、過冷鹽水等極端環境下“磁力紐扣”的重連。

可作為外星探測機器人的皮膚

“基於這些性能，自癒合材料的應用前景非常廣闊，比如軟體機器人等。當然最重要的應用就是打造‘電子皮膚’。”張雷介紹，由於自癒合材料具有很強的延展性，能拉伸140倍，因此可用於機器人肘關節、膝關節、指關節等部位的皮膚，滿足各種情況的拉伸；同時，其自癒合功能對海洋工程、極地、高空、工業廢水處理等極端環境作業具有重要意義。比如火星、月球探測機器人，在極端環境中作業，很容易出現破損，如果得不到及時修理，很可能影響機器人的功能。

“下一步我們計劃將材料應用於電子皮膚傳感器，讓極限環境下的機器人能夠感知體表的壓力、水流、温度等，為先進電子設備打造真正的‘智能皮膚’。”張雷和楊靜都對“全天候自癒合材料”的應用前景充滿信心。