自修复材料应用广阔，前景可期

相信很多人都看过《X战警》和《终结者》这两部科幻电影，影片中金刚狼和液态金属机器人T-1000都具有神奇的自修复能力，普通的枪械无法对它们造成致命的伤害。这样的场景可能让人觉得不可思议，其实，这样的事情在现实中并非遥不可及。在自然界中，自修复现象比比皆是：DNA结构被破坏之后能够恢复原样；人的皮肤被割破后会很快愈合；橡胶树的树皮破损时也能迅速得到再生。受大自然的启发，人们设计合成了许多自修复高分子材料，它们能够自行发现裂纹，并通过一定的机理将裂纹重新填补、自行修复，从而可有效延长材料的使用寿命，提高材料安全性，减少废弃物，具有广阔的应用前景。

实现途径

为了追求高强度及高柔韧性，传统材料通常都是由不可逆的共价键构筑而成的。这种共价键在断裂之后无法再重建，因此传统材料并不具有自修复功能。近年来，为了使材料具有自修复功能，人们普遍采取两种途径得到自修复材料。

一种是模拟人体的受伤及修复过程。人体内的血管如同纵横交错的河流，分布在我们身体内的每个角落。皮肤被划破后会流血，血液中的活性成分使得伤口结痂然后愈合。因此，我们可将催化剂和修复液分别装进微脉管或微胶囊中，然后将微脉管或微胶囊分散在聚合物里。当材料遭受外力产生裂纹时，微脉管或微胶囊发生破裂，使催化剂和修复液迅速释放。修复液在催化剂的作用下发生交联聚合反应，生成新的网络大分子，阻止裂纹的扩展，从而完成对裂纹的自修复。

另一种方法是将可逆共价键（例如亚胺键、酰腙键和双硫键等）或非共价弱相互作用（例如氢键、配位键、静电吸引、主客体相互作用、π-π堆积作用等）引入到高分子骨架中，这些化学键在外界因素（例如pH、温度等）的影响下，键的断裂和形成可以达到可逆的动态平衡。因此，当这些键断裂以后，通过加热、光照、调控pH值等手段，或者在无外界刺激的情况下，就可重新形成化学键，从而达到修复的目的。

这两种方法各有优缺点。微胶囊体系材料力学强度好、修复效率高，但是，修复液和催化剂是消耗性的，因此不能在同一个位置多次修复。基于动态化学键的修复材料与化学键的强度相关，可逆共价键的自修复材料力学强度好、可多次修复，但需要外界刺激才能实现；基于非共价键弱相互作用的自修复材料不需要任何外界刺激便可反复修复，但材料力学性能较差。因此，在实践中需要根据实际要求选择合适的自修复材料。

应用示例

目前，自修复材料已经开始应用于日常生活和军用装备领域。

●自动修复轮胎

在日常生活中，大家都遇到过或者见过车辆轮胎被扎的情况。一旦车胎不小心被钉子扎破，轻则导致整个轮胎报废，重则直接车毁人亡。2014年，法国米其林公司在当时的米其林必比登挑战赛中，展示了其新研发的“自动修复轮胎”产品。新型轮胎的内壁涂有一层胶料，该胶料富含50%以上的天然橡胶，涂抹之后会在轮胎内壁形成一层3～5毫米的轮胎保护涂层。一旦轮胎被扎，这层胶体会立刻填充漏洞，从而车辆可以继续行驶。该技术在带来这一关键优势的同时，不会牺牲轮胎的其他性能。未来，如果车辆都使用这样的轮胎，那么完全可以放弃备胎，为车辆减重近30千克，并增加车内空间。

●车体划痕复原涂料

车体划痕复原涂料技术是日产公司与日本立邦公司合作研发的一项创新的汽车油漆技术。它的原理是在常规的透明清漆中添加特殊高弹性树脂，使漆面柔软性、树脂黏合密度以及强韧性得到大幅度的提高。特殊树脂的原料是氨基甲酸酯丙烯，它的作用是当油漆表面受热后，高弹性树脂变软并填满划伤处的凹痕，从而使划痕得到修复。在日产公司的某些车型中，可自修复的高弹树脂透明漆已经代替了传统的清漆。日产公司表示这项技术与此前的涂装相比，可将擦伤程度降至原来的1/5。即使车辆出现严重的擦伤，在经过一段时间后，几乎可以恢复至擦伤之前的状态。若要加快这个过程可用热水或热风对此区域进行加热。

●自修复生化防护服

众所周知，生化防护服能够使士兵免受外界有害化学物质、病毒、细菌等的侵害。然而，在士兵执行任务时，其生化防护服若被灌木、荆棘、树丛、石头或针状金属刺透，则会产生针孔大小的破损，虽然肉眼不易觉察，但如果在生化沾染地区活动，遭到VX化学弹药等杀伤力极高的毒气袭击，士兵很可能还没反应过来就丧命了。2015年11月，美国陆军网站透露，美国陆军纳蒂克士兵研究开发与工程中心、马萨诸塞大学洛厄尔分校与美国粹通公司（Triton）合作研发了用于生化防护服的自修复技术。该技术采用了含微型胶囊修复流体的衣服面料，当微型胶囊被撕破时，它将被激活来修复切口、刺孔或破损处。这种自修复技术有助于对致命的化学品、细菌和病毒建立物理屏障，从而为参战士兵提供及时、不间断的生化防护。

●武器装备防腐

自修复材料的另一个军事用途是在武器装备的防腐方面。目前，武器装备大多以金属制品为主，而金属锈蚀会给武器装备造成极大的危害。它会破坏武器装备的外表光泽与表面结构；若是机械配合件，锈蚀后会导致螺丝、螺母等配合件松动或者锈死；锈蚀中含有水、空气、电解质等，会加速武器氧化，进而造成损坏。据统计，每年因金属锈蚀而报废的军事设备与材料占装备总数的5%以上，金属锈蚀还会造成武器装备维修与保护费用的剧增。2014年，美国海军研究局和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室联合开发了一种新的涂料添加剂，可以使海军陆战队“联合轻型战术车辆”等军用车辆的涂料具有类似于人体肌肤的自愈合功能，从而防止车辆锈蚀。他们的涂料添加剂由填满油状液体的聚合物微球组成，一旦划伤，破损包膜处的树脂便会在钢材表面形成蜡状防水涂层，防止车辆表面锈蚀，这种技术特别适合在恶劣环境下使用的军用车辆。

前景与挑战

如前所述，自修复材料在某些民用或军用领域已经实现了具体应用。实际上，还有更多应用途径已被各国科学家开发出来，虽然目前还处于实验室阶段，距离真正的应用尚有距离，但随着技术的进步，实现大规模应用的可能性极大。这些应用将改变我们的日常生活，一些科幻场景将成为现实。例如，建筑墙体的裂纹能自动消失，无须再次喷漆；衣物破了也会自动愈合，无须缝补；桥梁、河堤、路面能够自我翻新，不会老旧；电子设备的各种零件能够自我修复，延长使用寿命……

然而，要实现自修复材料的应用，有两个问题非常关键。

一是要使自修复材料实现的力学性质满足实际应用的要求。目前的自修复材料大多存在力学性质和自修复性质不兼容的问题。因此，要通过可逆化学键的精心设计来获得兼具优良力学性质和自修复性质的材料。目前，国内外相关研究团队围绕这个目标已经做了一些工作，得到了高强度或高弹性的自修复材料。然而，目前的进展还不尽如人意，存在高强度的材料不能室温自修复、高弹性的室温自修复材料力学强度不够好等问题，缺乏能够将高强度、高弹性以及室温自修复全部结合在一起的材料。

二是要使自修复材料功能化和器件化。目前的自修复材料研究主要还是关注材料的力学性能，而要使自修复材料能够得到应用，就必须将自修复材料与具有光、电、热、磁性质的功能材料结合起来，得到具有发光、导电、磁性、导热等功能的自修复材料。另外，一些重要的光电功能器件，例如太阳能电池、超级电容器、电致发光器件、电致变色器件等，在遇到碰撞、扭曲、折叠等外力作用时将产生局部裂纹甚至整体断裂，发生电路断路、器件局部甚至整体丧失功能等现象，缩短使用寿命。如果能将光电器件与自修复材料结合，则可以得到具有自修复性质的光电功能器件。这些器件将具有更好的环境忍耐度、更长的使用寿命和更广阔的应用范围，因而具有重要的研究前景和应用价值。

总之，自修复材料仍存在需要解决的问题和可以改进的空间，这些问题在几年之内有望被破解，自修复材料应用于实际的场景是可以期待的。