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    航天飞机有望太空中自我修复

    2014-07-26 16:48:26 来源:科技网

      飞行中,机翼出现裂纹,在空中可以自我修复?高科技汽车被刮花,不用去4S店修理,涂料层也可以自动修复如初?自我修复材料正成为当下材料科学领域的一个新热点。最近,美国伊利诺伊大学香槟分校的材料科学家们在这一领域有新的突破。我们国家的科研人员近年也在这一领域奋起直追,卓有建树。记者采访中山大学化学与化学工程学院容敏智教授,华南理工大学材料科学与工程学院高分子系郭建华副教授,他们为读者解读这一科研领域科学家们的有趣实验。

      专题编译、采写/记者 李文图/Gettyimages提供

      从人体血管网络获取灵感

      从人体血管网络获取灵感,制造出能自我修复裂纹的材料。这是美国伊利诺伊大学香槟分校的材料科学家们正在实验室里尝试的事。希望它们能在特殊情况下,特别是在航空航天、军事领域发挥作用。

      华南理工大学材料科学与工程学院高分子系郭建华副教授在接受记者采访时,这样解释这种材料的可能应用图景:“执行战斗任务的战斗机或者在外太空执行飞行任务的航天装备,如果机翼等关键部件因为外力冲击出现微小的裂纹,一时不能及时回到基地维修。这时,如果建造材料自身有自我修复能力,能自己修补裂缝就显得非常必要了。”这听起来像天方夜谭,但实际上科研人员正在将这种材料变成现实。

      据《中国科学报》报道,最近,美国伊利诺伊大学香槟分校的材料科学家们在自我修复材料领域又有了新的突破。研究人员开发出一种具有自我修复机制的塑料。这种材料目前能够修补直径最大达1厘米 的空洞,并且在这一过程中恢复材料绝大部分的原始强度。研究人员研制了两种液体,将这两种液体分开存放时不起化学反应,但混合后会引发两个反应——第一个反应能够把混合物变成凝胶,第二个反应则逐渐将其凝固成硬塑料。

      研究人员面临的挑战是需要找到一种方法来合并这两种液体。为了实现这一目标,研究人员从身体的静脉和动脉网络中获得了灵感。他们首先使用了包含有微小通道的普通塑料。这种材料是在塑料呈液态时加入纤维,并在其凝固后除去纤维所制成。研究人员随后在每一个“微通道”中注满了其中一种液体。该研究合作者、化学家杰弗里·摩尔表示:“你可以把这些微通道看作是一个脉管系统,就像血管那样。”接下来,研究人员对塑料进行了受控冲撞,旨在形成一个孔洞和无数的裂缝,从而测试其自我修复能力。

      这一过程导致微通道破裂,进而使液体流出、混合并最终固化。摩尔指出:“随着越来越多的液体被泵入微通道,凝胶最终跨越了整个受损的区域,并完全填充了空隙的空间。”在这一过程中,注满一个直径约为1厘米的孔洞需要20分钟,而这种凝胶大约需要3个小时便可以凝固为坚硬的塑料。研究人员正在致力于使这套系统能够更快地自我修复。化学家弗朗瑟·斯托达特指出,这项新技术的潜在应用范围从航空航天工程一直到外科植入手术。斯托达特说:“这一研究表明,我们能够期待自动修复比之前所想的更大长度尺度的断缝、裂痕和孔洞。”但斯托达特强调,现实生活中的聚合物断裂可能比实验室中所产生的断裂要复杂得多,因此自我修复机制可能需要依赖于多种技术的结合。

      早期“微胶囊型”的发展

      在国内,中山大学化学与化学工程学院容敏智教授和章明秋教授带领的科研团队也在这一领域开展了研究。容敏智教授表示,这一技术其实是大胆的仿生尝试:“事实上,自修复,或称自愈合是生物体与生俱来的一种能力。我们身边的动植物,包括我们自身,遭受微小损伤后,无需采取任何措施,即可自行愈合。自修复型高分子材料正是受到大自然的启发,模仿生物体损伤愈合,通过物质补给或能量补给机制,使材料的微损伤能够得以自动愈合,从而消除隐患。现在,这一领域正成为材料科学与工程领域新兴前沿课题。” 容敏智教授指出,最近报道的这项新推进成果,是该团队在2001年发明的“微胶囊”修复材料基础上的一个发展。“简单来说,微胶囊模式自修复体系就是将修复剂微胶囊化,然后埋植入树脂基体中,当基体受到破坏时,微胶囊随着破坏并释放出修复剂到裂纹断面,随后修复剂发生聚合从而把裂纹修复。微胶囊容易大量制备并且微胶囊化后的修复剂能保持原有的活性。”

      在容敏智教授看来,微胶囊容易大量制备,仍被认为是一个非常具有商业前景的自修复体系。

      “微胶囊”缺点:一旦破裂,充填即结束

      郭建华告诉记者,“微胶囊”有点像是鸡蛋:“用聚合方法做成一些几十到几百微米的小球,混入基体材料中。这些微胶囊的外壳有一定的强度和硬度,里面装满液态的修复剂或者催化剂。材料设计者可以做到,当材料受到一定程度的冲击,出现裂纹且裂纹扩展遇到微胶囊时,这些微胶囊的壳就会破裂,里面的修复剂、或催化剂就会流到裂缝中,自动填补这些缝隙。然后,这些液态材料就会固化,从而让裂纹得到修复。”不过,关于修复时间,由于受温度等多种因素的影响,很难精确控制。“外太空温度低,需要的时间可能就长一些。修复剂、催化剂本身的含量、浓度也有影响。这方面我们很难人为控制时间的长短。修复剂、催化剂本身的含量也会对修复时间有明显的影响,提高催化剂的含量,可以有效地缩短修复时间。” 郭建华说,“‘微胶囊’在很多材料中都能够加以应用。但是它的修复效率不高,很难做到100%修复。另外,‘微胶囊’自修复有点像一锤子买卖,一个胶囊就是一个独立的个体,‘蛋壳’一旦破裂,一次充填也就结束了,不能多次重复使用。‘微血管’型的修复技术则将多种修复剂分别注入多个独立的血管网络。一旦遭遇外力冲击,填充修复剂的管道发生破裂,里面的修复剂和催化剂相遇,发生化学反应,才产生修复的作用。这样来看,‘微血管’型的循环次数更多,其网络体系具有更强的智能可控性,使修复剂能自发快速地由含量多的‘血管’扩散到试剂已被消耗的‘血管’中,从而实现微血管网络内修复试剂的自补充。”

      看好涂料领域的发展

      在郭建华看来,虽然目前自修复材料还没有进入工业化生产和商业应用的阶段,多数还停留在实验室研发的阶段,也只能修复一些微小的创口。但是,它们可能的应用前景却很广泛。“比如一些高精仪器的橡胶材料部件,长期使用时,内部会发生疲劳破坏,在这种情况下就可以研发可自我修复的弹性体材料。在涂料领域,我也比较看好自修复材料的应用前景。有了这种油漆,新型高端汽车刮花了,不用去4S店重新喷涂,自己就能修补长好。我们也不用再担心一些风力发电机叶片、海上钻井平台,长期风刮日晒造成的维护难题。”郭建华说,“现在还有一个热点是超分子自修复技术。一些具备超分子组装体功能的材料,用刀切开,分开成两半,但只要距离够近,立即又黏合在一起,重新拼合得天衣无缝。用这类技术做人工敷料,具有极强的透气性、弹性和柔软度,与人体皮肤亲和性极好,可以促进皮肤创口的快速愈合。”

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