科幻电影成现实?国产超级皮肤靠分子间“磁力纽扣”自动愈合

科技日报 2020-06-10 13:25:14

科幻电影《终结者2》中的液体金属杀手机器人拥有不死之身,每当身体遭受枪击时都能自动愈合。这种神奇自动愈合能力如今已不只存在于科幻世界中,日前,天津大学张雷、杨静团队研发的“全天候自愈合材料”,无须借助任何外界帮助,能在严寒、深海和强酸碱等极端条件下,实现全天候快速自愈合,有望成为机器人、深海探测器和极端条件下各类高科技设备的“超级电子皮肤”。相关成果发表在国际权威期刊《自然·通讯》上。

“磁力纽扣”设计实现自愈合

天津大学团队研发的“全天候自愈合材料”是一种超分子聚合物。它能模拟皮肤功能,具有高拉伸性,可以快速修复损伤。这种神奇的自动愈合功能是如何实现的呢?这就要归功于将多重动态键融入低玻璃化温度的聚合物主链这种超分子设计。

“多重动态键的协同相互作用,是我们此次研发‘全天候自愈合材料’开创性的构思。”青年教师杨静介绍,“动态键就像‘磁力纽扣’。一旦材料破损,破损面的‘磁力纽扣’被解开,但通过分子间的相互作用力,它们可以互相吸引,再重新扣到一起,从而达到自愈合的效果。”

“全天候自愈合材料”中的“磁力纽扣”可以反复多次实现断开和重连。根据实验结果显示,这种新型自愈合材料在室温下可实现10分钟内快速愈合,愈合后可承受超过自身重量500倍的重物。在零下40摄氏度低温、过冷高浓度盐水甚至在强酸强碱性环境中都表现出了高效的自愈合性能,实现24小时内自愈合。

无惧极寒、深海等极端条件

长期以来,现有的自愈合材料一直在极地严寒、深海水下、强酸强碱等环境下表现不佳,如何在极端条件下快速自我修复成为自愈合材料难以逾越的技术瓶颈。

张雷教授说:“低温、水下等极端环境会显著抑制材料自愈合的能力。因为低温下材料会变硬,从分子层面看,就是分子流动性减弱了,动态键也就无法随着分子链流动重连。而在水下环境,水分子进入破损界面,也会阻碍动态键的重连。”

“为了增强材料的自愈合能力,实现在各种条件下的自愈合,我们设计了多种类型的‘磁力纽扣’,也就是多重动态键,包括强氢键、弱氢键和双硫键,这样就能保证‘磁力纽扣’在任何极端条件下,都能重新自动扣上。”杨静说。

同时,张雷指出,他们采用的低玻璃化温度的聚合物主链,在低温下也能维持良好的微观流动性,这种聚合物也具有一定的疏水性,可以辅助极低温、过冷盐水等极端环境下“磁力纽扣”的重连。

可作为外星探测机器人的皮肤

“基于这些性能,自愈合材料的应用前景非常广阔,比如软体机器人等。当然最重要的应用就是打造‘电子皮肤’。”张雷介绍,由于自愈合材料具有很强的延展性,能拉伸140倍,因此可用于机器人肘关节、膝关节、指关节等部位的皮肤,满足各种情况的拉伸;同时,其自愈合功能对海洋工程、极地、高空、工业废水处理等极端环境作业具有重要意义。比如火星、月球探测机器人,在极端环境中作业,很容易出现破损,如果得不到及时修理,很可能影响机器人的功能。

“下一步我们计划将材料应用于电子皮肤传感器,让极限环境下的机器人能够感知体表的压力、水流、温度等,为先进电子设备打造真正的‘智能皮肤’。”张雷和杨静都对“全天候自愈合材料”的应用前景充满信心。(记者 陈 曦 通讯员 焦德芳)

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