【颜钛云商讯】想象一下，轮胎在穿刺后可以自动愈合的情况，又或者存在从未被拉断的橡皮筋（即当橡皮筋被拉断时会自我愈合，再次形成完好的橡皮筋）吗？ 研究人员研发了一种与天然橡胶同样坚固的新型橡胶，同时其也可以自愈。

 

上图为自愈橡胶微观结构特征，其大分子链上连接着永久共价键（红色）和可逆氢键（绿色）。图片来源： Peter和Ryan Allen / Harvard SEAS

 

想象一下，现实中，会存在被穿刺后可以愈合的轮胎或者从未咬合的橡皮筋吗？哈佛约翰•保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员开发了一种与天然橡胶相当的新型橡胶，同时其也可以自我修复，即该橡胶在被损坏时，会自我修复、愈合。其中，关于自我修复橡胶的研究可以在《先进材料》期刊上找到。

 

自愈材料指的并不是SEAS的现有研究人员利用水的掺入而研发的自愈水凝胶。 然而，干燥材料（如橡胶）的工程自愈性能更具挑战性，因其处于干燥条件，不可利用自愈水凝胶自愈的原理。从微观上讲，因为橡胶通常是由永久共价键连接的聚合物制成的。 虽然这些共价键非常强大，但其一旦被破坏，他们永远都不会重新连接。

 

为了使橡胶能够在破坏后，自我愈合，研究团队需要使连接聚合物的键可逆，从而使得这些化学键能够在损坏后自我修复。

 

SEAS博士后研究员，即本文作者蔡立鹏表示：“以前的研究使用可逆氢键连接聚合物以形成橡胶，但可逆的氢键本身弱于共价键。这就产生了一个疑问：我们能不能使结合力更强的物质完成自愈过程呢？”

 

蔡先生与中国四川大学客座教授吴金荣，物理与应用物理学院的Mallinckrodt教授兼任资深作家的David A. Weitz共同研究开发了具有共价键和可逆键混合的自愈橡胶。

 

蔡氏理论中提出了共价键和可逆键混合存在下可以制备坚韧的自愈橡胶的概念，但将共价键和可逆键混合的研究在过去的研究中从未有过，因为共价键和可逆键不容易混合。蔡立鹏说：“这两种类型的化学键在本质上是不混溶的，就像石油和水一样。”

 

因此，研究人员开发了一种分子绳来将这两种类型的化学键结合在一起。 其中我们将这种分子绳称为无规分支聚合物，该物质可以允许两个先前不可混合的键在分子尺度上均匀混合。所以这样做会创造出一种具有透明、坚韧和自愈等性能的橡胶。

 

典型的橡胶，当施加外力时，会在某些应力点趋于开裂。然而，混合橡胶，当被拉伸时，会在整个材料中形成所谓的裂纹，其特征与裂纹相似，但是这种裂纹根本上是通过纤维束连接的。正是因为其可以疯狂的重新分配的压力，所以压力不会集中以橡胶的某个压力点，从而导致灾难性的失败。 当压力释放时，材料可以恢复到原来的形式，并且会很快愈合。

 

哈佛技术开发办公室已经提交了该技术的专利申请，而且正在积极寻求商业化机会。自愈橡胶因为其自愈能力吸引了各种各样的橡胶制品，即自愈橡胶可应用范围很广。

 

吴先生说：“想象一下，我们可以用这种材料制作橡胶轮胎。如果你有轮胎被划破，就不存在马上换新胎的问题，相反，在你开车时轮胎就会自我修复，给你留下避免巨大损失的一个保障。”

 

威茨说：“我们还有更多的事要做，对于材料科学，目前尚不完全了解为什么这种混合橡胶在拉伸时会出现裂纹。而对于工程而言，利用其特殊组合的光学透明度，韧性和自愈能力的混合橡胶的应用仍有待探索 。此外，利用分子设计来混合共价键和可逆键以产生均匀的混合弹性体的概念是相当普遍的，并且利用这种混合弹性体应该能够开发出在实际中使用的韧性自愈合聚合物。

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