开拓者vs马刺:游正偉教授團隊自愈合材料重要進展

开拓者vs雷霆 www.yorqg.club 《先進材料》發表我校游正偉教授團隊在自愈合材料領域最新科研成果

近日,東華大學纖維材料改性重點國家實驗室游正偉教授團隊在自愈合材料領域取得重要進展,相關成果以《一種具有空前力學性能的高效自愈合彈性體》(A Highly EfficientSelf-Healing Elastomer with Unprecedented Mechanical Properties, DOI:10.1002/adma.201901402)為題,發表于材料學領域國際頂尖學術期刊《先進材料》(Advanced Materials)。游正偉教授是該論文通訊作者,東華大學博士生張璐之和劉增賀是該論文共同第一作者。蘇州大學鮑曉光教授對自愈合的分子機制進行了理論計算證明,東華大學何創龍教授、管清寶副教授是論文的共同作者。

自愈合材料是一種“有生命”的材料,在損傷后,能夠像人類的皮膚一樣自行愈合,恢復其原有的結構和功能,可以大大延長材料的使用壽命、提高材料的使用安全性、降低材料的維護成本。因此,自愈合材料在汽車涂層、可穿戴電子、軟體機器人、生物醫學等諸多領域備受關注。然而,已報道的自愈合材料往往需要外界刺激(比如加熱、激光、壓力等)來激發愈合過程,同時力學和自愈合性能難以兼顧,研制理想的高強韌室溫自愈合材料仍然是該領域的挑戰。

針對上述關鍵問題,游正偉教授團隊創新地提出了一種可以同時提升材料自愈合性能和力學性能的分子策略——基于銅配位丁二酮肟氨酯的彈性體(Cu-DOU-CPU)。Cu-DOU-CPU中同時存在動態共價鍵(肟氨酯鍵)和動態非共價鍵(金屬配位鍵和氫鍵),其中銅離子的配位作用是關鍵:配位產生的動態交聯顯著增強了材料的力學性能;同時,銅離子的配位提升了肟氨酯鍵的動態性,材料表現出更優的自愈合性能。蘇州大學鮑曉光教授團隊通過密度泛函理論計算解釋了其中的分子機制。

自愈合彈性體的設計

Cu-DOU-CPU自愈合彈性體的設計

上述三種動態鍵的協同作用使得材料具有一系列優異的性能。Cu-DOU-CPU的強度和韌性分別達到了14.8 MPa和87.0 MJ m?3。同時,Cu-DOU-CPU在室溫下可以自發自愈,即時自愈強度可達1.84 MPa,并持續增加至13.8 MPa,超過所有同類材料的原始強度。

彈性體的超強力學性能

Cu-DOU-CPU彈性體的超強力學性能和自愈合能力

作者利用該材料復合液態金屬構建了高拉伸自愈合導線。切斷的導線在室溫下9分鐘就可以基本愈合,在再拉伸2.5倍的情況下,仍然能保持電路的導通,展現了該自修復材料在磅礴興起的可拉伸電子領域的良好應用前景。

自愈合電子器件

Cu-DOU-CPU彈性體構筑自愈合可拉伸電子器件

值得一提的是,Cu-DOU-CPU合成所使用的原料均為易得的工業品,反應采用“一鍋法”,簡便易行,非常有利于大規模使用。此外,該工作提出的利用金屬配位作用來同時提升力學和自愈合性能的策略,可以拓展到其它金屬離子和動態鍵體系,為研制高性能的自愈合材料提供了全新的思路。

據悉,游正偉教授團隊長期從事彈性體的研究,近年來致力于動態鍵構筑智能彈性體特別是自愈合彈性體(ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20591–20599)。近期,該團隊還基于丁二酮肟氨酯基團的多重反應性,研制了一種強韌、自愈、防偽多合一仿生超級防護材料,相關工作也將于近期發表在Adv.Funct. Mater.上。

該工作獲得了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、東華大學勵志計劃等項目資助。

本文轉自:東華大學,僅供參考學習。