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航天飛機有望太空中自我修復

2014-07-26 16:48:26 來源:科技網

  飛行中,機翼出現裂紋,在空中可以自我修復?高科技汽車被刮花,不用去4S店修理,涂料層也可以自動修復如初?自我修復材料正成為當下材料科學領域的一個新熱點。最近,美國伊利諾伊大學香檳分校的材料科學家們在這一領域有新的突破。我們國家的科研人員近年也在這一領域奮起直追,卓有建樹。記者采訪中山大學化學與化學工程學院容敏智教授,華南理工大學材料科學與工程學院高分子系郭建華副教授,他們為讀者解讀這一科研領域科學家們的有趣實驗。

  專題編譯、采寫/記者 李文圖/Gettyimages提供

  從人體血管網絡獲取靈感

  從人體血管網絡獲取靈感,制造出能自我修復裂紋的材料。這是美國伊利諾伊大學香檳分校的材料科學家們正在實驗室里嘗試的事。希望它們能在特殊情況下,特別是在航空航天、軍事領域發揮作用。

  華南理工大學材料科學與工程學院高分子系郭建華副教授在接受記者采訪時,這樣解釋這種材料的可能應用圖景:“執行戰斗任務的戰斗機或者在外太空執行飛行任務的航天裝備,如果機翼等關鍵部件因為外力沖擊出現微小的裂紋,一時不能及時回到基地維修。這時,如果建造材料自身有自我修復能力,能自己修補裂縫就顯得非常必要了。”這聽起來像天方夜譚,但實際上科研人員正在將這種材料變成現實。

  據《中國科學報》報道,最近,美國伊利諾伊大學香檳分校的材料科學家們在自我修復材料領域又有了新的突破。研究人員開發出一種具有自我修復機制的塑料。這種材料目前能夠修補直徑最大達1厘米 的空洞,并且在這一過程中恢復材料絕大部分的原始強度。研究人員研制了兩種液體,將這兩種液體分開存放時不起化學反應,但混合后會引發兩個反應——第一個反應能夠把混合物變成凝膠,第二個反應則逐漸將其凝固成硬塑料。

  研究人員面臨的挑戰是需要找到一種方法來合并這兩種液體。為了實現這一目標,研究人員從身體的靜脈和動脈網絡中獲得了靈感。他們首先使用了包含有微小通道的普通塑料。這種材料是在塑料呈液態時加入纖維,并在其凝固后除去纖維所制成。研究人員隨后在每一個“微通道”中注滿了其中一種液體。該研究合作者、化學家杰弗里·摩爾表示:“你可以把這些微通道看作是一個脈管系統,就像血管那樣。”接下來,研究人員對塑料進行了受控沖撞,旨在形成一個孔洞和無數的裂縫,從而測試其自我修復能力。

  這一過程導致微通道破裂,進而使液體流出、混合并最終固化。摩爾指出:“隨著越來越多的液體被泵入微通道,凝膠最終跨越了整個受損的區域,并完全填充了空隙的空間。”在這一過程中,注滿一個直徑約為1厘米的孔洞需要20分鐘,而這種凝膠大約需要3個小時便可以凝固為堅硬的塑料。研究人員正在致力于使這套系統能夠更快地自我修復。化學家弗朗瑟·斯托達特指出,這項新技術的潛在應用范圍從航空航天工程一直到外科植入手術。斯托達特說:“這一研究表明,我們能夠期待自動修復比之前所想的更大長度尺度的斷縫、裂痕和孔洞。”但斯托達特強調,現實生活中的聚合物斷裂可能比實驗室中所產生的斷裂要復雜得多,因此自我修復機制可能需要依賴于多種技術的結合。

  早期“微膠囊型”的發展

  在國內,中山大學化學與化學工程學院容敏智教授和章明秋教授帶領的科研團隊也在這一領域開展了研究。容敏智教授表示,這一技術其實是大膽的仿生嘗試:“事實上,自修復,或稱自愈合是生物體與生俱來的一種能力。我們身邊的動植物,包括我們自身,遭受微小損傷后,無需采取任何措施,即可自行愈合。自修復型高分子材料正是受到大自然的啟發,模仿生物體損傷愈合,通過物質補給或能量補給機制,使材料的微損傷能夠得以自動愈合,從而消除隱患。現在,這一領域正成為材料科學與工程領域新興前沿課題。” 容敏智教授指出,最近報道的這項新推進成果,是該團隊在2001年發明的“微膠囊”修復材料基礎上的一個發展。“簡單來說,微膠囊模式自修復體系就是將修復劑微膠囊化,然后埋植入樹脂基體中,當基體受到破壞時,微膠囊隨著破壞并釋放出修復劑到裂紋斷面,隨后修復劑發生聚合從而把裂紋修復。微膠囊容易大量制備并且微膠囊化后的修復劑能保持原有的活性。”

  在容敏智教授看來,微膠囊容易大量制備,仍被認為是一個非常具有商業前景的自修復體系。

  “微膠囊”缺點:一旦破裂,充填即結束

  郭建華告訴記者,“微膠囊”有點像是雞蛋:“用聚合方法做成一些幾十到幾百微米的小球,混入基體材料中。這些微膠囊的外殼有一定的強度和硬度,里面裝滿液態的修復劑或者催化劑。材料設計者可以做到,當材料受到一定程度的沖擊,出現裂紋且裂紋擴展遇到微膠囊時,這些微膠囊的殼就會破裂,里面的修復劑、或催化劑就會流到裂縫中,自動填補這些縫隙。然后,這些液態材料就會固化,從而讓裂紋得到修復。”不過,關于修復時間,由于受溫度等多種因素的影響,很難精確控制。“外太空溫度低,需要的時間可能就長一些。修復劑、催化劑本身的含量、濃度也有影響。這方面我們很難人為控制時間的長短。修復劑、催化劑本身的含量也會對修復時間有明顯的影響,提高催化劑的含量,可以有效地縮短修復時間。” 郭建華說,“‘微膠囊’在很多材料中都能夠加以應用。但是它的修復效率不高,很難做到100%修復。另外,‘微膠囊’自修復有點像一錘子買賣,一個膠囊就是一個獨立的個體,‘蛋殼’一旦破裂,一次充填也就結束了,不能多次重復使用。‘微血管’型的修復技術則將多種修復劑分別注入多個獨立的血管網絡。一旦遭遇外力沖擊,填充修復劑的管道發生破裂,里面的修復劑和催化劑相遇,發生化學反應,才產生修復的作用。這樣來看,‘微血管’型的循環次數更多,其網絡體系具有更強的智能可控性,使修復劑能自發快速地由含量多的‘血管’擴散到試劑已被消耗的‘血管’中,從而實現微血管網絡內修復試劑的自補充。”

  看好涂料領域的發展

  在郭建華看來,雖然目前自修復材料還沒有進入工業化生產和商業應用的階段,多數還停留在實驗室研發的階段,也只能修復一些微小的創口。但是,它們可能的應用前景卻很廣泛。“比如一些高精儀器的橡膠材料部件,長期使用時,內部會發生疲勞破壞,在這種情況下就可以研發可自我修復的彈性體材料。在涂料領域,我也比較看好自修復材料的應用前景。有了這種油漆,新型高端汽車刮花了,不用去4S店重新噴涂,自己就能修補長好。我們也不用再擔心一些風力發電機葉片、海上鉆井平臺,長期風刮日曬造成的維護難題。”郭建華說,“現在還有一個熱點是超分子自修復技術。一些具備超分子組裝體功能的材料,用刀切開,分開成兩半,但只要距離夠近,立即又黏合在一起,重新拼合得天衣無縫。用這類技術做人工敷料,具有極強的透氣性、彈性和柔軟度,與人體皮膚親和性極好,可以促進皮膚創口的快速愈合。”

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