东华大学游正伟教授团队自愈合材料重要进展

近日,东华大学纤维材料改性重点国家实验室游正伟教授团队在自愈合材料领域取得重要进展,相关成果以《一种具有空前力学性能的高效自愈合弹性体》(A Highly EfficientSelf-Healing Elastomer with Unprecedented Mechanical Properties, DOI:10.1002/adma.201901402)为题,发表于材料学领域国际顶尖学术期刊《先进材料》(Advanced Materials)。游正伟教授是该论文通讯作者,东华大学博士生张璐之和刘增贺是该论文共同第一作者。苏州大学鲍晓光教授对自愈合的分子机制进行了理论计算证明,东华大学何创龙教授、管清宝副教授是论文的共同作者。

自愈合材料是一种“有生命”的材料,在损伤后,能够像人类的皮肤一样自行愈合,恢复其原有的结构和功能,可以大大延长材料的使用寿命、提高材料的使用安全性、降低材料的维护成本。因此,自愈合材料在汽车涂层、可穿戴电子、软体机器人、生物医学等诸多领域备受关注。然而,已报道的自愈合材料往往需要外界刺激(比如加热、激光、压力等)来激发愈合过程,同时力学和自愈合性能难以兼顾,研制理想的高强韧室温自愈合材料仍然是该领域的挑战。

针对上述关键问题,游正伟教授团队创新地提出了一种可以同时提升材料自愈合性能和力学性能的分子策略——基于铜配位丁二酮肟氨酯的弹性体(Cu-DOU-CPU)。Cu-DOU-CPU中同时存在动态共价键(肟氨酯键)和动态非共价键(金属配位键和氢键),其中铜离子的配位作用是关键:配位产生的动态交联显著增强了材料的力学性能;同时,铜离子的配位提升了肟氨酯键的动态性,材料表现出更优的自愈合性能。苏州大学鲍晓光教授团队通过密度泛函理论计算解释了其中的分子机制。

自愈合材料进展
Cu-DOU-CPU自愈合弹性体的设计

上述三种动态键的协同作用使得材料具有一系列优异的性能。Cu-DOU-CPU的强度和韧性分别达到了14.8 MPa和87.0 MJ m−3。同时,Cu-DOU-CPU在室温下可以自发自愈,即时自愈强度可达1.84 MPa,并持续增加至13.8 MPa,超过所有同类材料的原始强度。

自愈合材料性质
Cu-DOU-CPU弹性体的超强力学性能和自愈合能力

作者利用该材料复合液态金属构建了高拉伸自愈合导线。切断的导线在室温下9分钟就可以基本愈合,在再拉伸2.5倍的情况下,仍然能保持电路的导通,展现了该自修复材料在磅礴兴起的可拉伸电子领域的良好应用前景。

自愈合电子材料
Cu-DOU-CPU弹性体构筑自愈合可拉伸电子器件

值得一提的是,Cu-DOU-CPU合成所使用的原料均为易得的工业品,反应采用“一锅法”,简便易行,非常有利于大规模使用。此外,该工作提出的利用金属配位作用来同时提升力学和自愈合性能的策略,可以拓展到其它金属离子和动态键体系,为研制高性能的自愈合材料提供了全新的思路。

据悉,游正伟教授团队长期从事弹性体的研究,近年来致力于动态键构筑智能弹性体特别是自愈合弹性体(ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20591–20599)。近期,该团队还基于丁二酮肟氨酯基团的多重反应性,研制了一种强韧、自愈、防伪多合一仿生超级防护材料,相关工作也将于近期发表在Adv.Funct. Mater.上。

该工作获得了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、东华大学励志计划等项目资助。

原文链接:A Highly Efficient Self‐Healing Elastomer with Unprecedented Mechanical Properties

本文转自:东华大学,仅供参考学习。

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