“破镜得以重圆”的自修复技术
2024-10-21沈臻懿
中国有句俗语，叫作“破镜难圆”。当一件我们极为心爱的物品意外摔裂或者出现裂纹时，往往令人心疼不已，又难以割舍丢弃。因而，人们总是幻想着是否有这样一种技术，能够让其恢复如初。而今，随着“自修复材料及其技术”的问世，“破镜重圆”已经成为可能——墙体开裂后能够自动修复，车辆剐蹭掉漆处可以自动修补，手机屏幕的划痕逐渐自动消失，衣服上的破洞得以自动弥合……
自修复技术的“奥妙”
在较长的一段时间中，自我修复技术的概念仅存在于科幻领域。譬如，漫威电影《钢铁侠》中的主角之所以能够自动复原战衣，其关键元素就在于自修复技术。但随着当前科技的不断创新与突破，自修复技术正从科幻步入现实。
那么，自修复技术的“奥妙”何在，原理是什么？几乎所有人都有过类似这样的经历：当皮肤不小心被划伤出血后，经过一段时间，伤口即会自动痊愈。这是由于血液中血小板的凝聚能够为伤口及时止血，进而促使伤口的愈合。受到这一人体生理特性的启发，科学家们在模仿“伤口愈合原理”的基础上，尝试通过在材料中添加特定的修复、黏合物质，从而达到材料的自我修复目的。简单来说，自修复技术，即：当材料出现损伤时，能够在特定环境条件下，通过材料内部预置的特殊结构或物质，来实现自我修复的功能。
那么，这种自我修复的“秘密武器”究竟是什么呢？原来，科学家会在自修复材料中引入一些特殊的分子结构或化学键。当材料出现损伤时，这些结构就会发生反应并令材料自行修复。此外，某些自修复材料中还带有封装有修复剂的微管、微胶囊等结构，当材料因损伤而出现裂缝时，微管、微胶囊便会释放出修复剂，以填补裂缝并维系材料的完整性。
按照修复机理和方式的不同，自修复技术主要可以分为外援型和本征型两大类：就前者而言，其是通过在材料表面或内部添加装有修复剂的微胶囊或液芯纤维等功能性物质来进行自我修复；后者则是通过材料内部能够进行可逆反应的结构，借助一定形式来进行自我修复。
微胶囊自修复技术，需要将微胶囊和催化剂等物质均匀混入材料。当材料出现损伤后，微胶囊亦会同时破损并释放出修复剂。随后，修复剂与催化剂结合并反应固化，进而完成裂缝的自修复。不过，伴之微胶囊的破损，内部修复剂会被全部释放。这也决定了该技术是一种一次性的自修复方式。为了实现多次的自我修复，科学家们在模仿人体血管网络的基础上，使用相互连通的液芯纤维预先埋入基体材料中。损伤部位的液芯纤维释放出修复剂并完成自修复后，修复剂即会被封装，以便于后续的自修复使用。
不过，无论是微胶囊，还是液芯纤维等外援型自修复技术，一旦修复剂消耗一空，材料也就失去了自修复能力。为此，科学家们又尝试研发了本征型的自修复技术。在光、热、电磁等特定条件下，能够为基于配位键、氢键、二硫键等的本征型自修复聚硅氧烷材料提供能量，进而借助化学键的可逆性，来实现材料的自我重新修复。
自修复技术的应用领域前景
如今，手机的应用已极为普及。手机使用过程中经常出现的屏幕碎裂或划痕，无疑是一件令人糟心的事。试想一下，如果将屏幕受损的手机放在太阳底下暴晒数小时，裂纹或划痕便会自动消失，这是否极为神奇？当然，自修复技术的应用领域并非仅限于此，其在建筑、陶瓷和金属等领域都有着极为广泛的应用前景。
▲建筑施工领域
建筑施工作业中，混凝土因其成本低、耐久性以及抗压强等特点，已成为一种必不可少的建筑材料。然而，由于环境影响以及混凝土材料的自身缘由，时间一长，开裂就无可避免。这些裂缝，不仅破坏了建筑外观，更对结构安全带来了严重隐患。为了应对这一问题，科学家们在建筑混凝土领域引入了自修复技术。微生物诱导碳酸盐沉淀技术作为其中一项较为理想的技术，需要将细菌孢子和乳酸钙填入混凝土之中。当裂纹出现后，细菌孢子就会被氧气和水激活，进而生成碳酸钙并填充修复裂纹；乳酸钙则可为细菌孢子持续提供营养。科学家们经过测算，这一自修复能力几乎可持续200年左右。
▲陶瓷材料领域
陶瓷不仅在日常生活中随处可见，其也因较钛合金更轻、更耐热的优势，成了航空发动机的理想型材料。不过，陶瓷易碎且脆性大的缺点，成了相关材料研发领域的难题。为此，科学家们研发出了一种能够完成结构自行修复的陶瓷材料。其需要将碳化硅置入氧化铝陶瓷材料中作为“愈合剂”。当陶瓷在高温环境下破裂时，氧气就会通过缝隙进入并与材料中的碳化硅反应生成二氧化硅。此时，随着材料密度的降低，其体积则相应发生膨胀。此外，这一过程还能促使氧化铝的烧结，进一步推动裂缝愈合并恢复材料的原始强度。科学家们研发后发现，加入了“愈合剂”后的自修复陶瓷材料，在完成自修复过程后，其抗弯性能强度甚至超过了初始材料！
▲金属材料领域
金属材料的用途极为广泛，人们在车辆制造、航空航天等领域都可以看到金属材料的身影。机械电器类产品中，金属用料往往占据九成以上。但金属材料的疲劳、损伤、腐蚀等问题，长期以来阻碍着人们对金属材料的进一步使用。在航空、轮船、列车等交通运输过程中，金属疲劳也会给人类带来严重的安全隐患。当前，自修复技术有望能够为金属材料带来更强的耐腐蚀性以及更长的使用寿命。磨损通常是金属材料失效的重要因素之一。金属自修复材料是针对解决金属磨损问题而研发出来的，为各类矿物质、催化剂和添加剂所组成的超细粉末，并以润滑油作为承载客体。当加入了自修复材料的润滑油涂抹至产生摩擦的金属工作面后，自修复材料不仅可以及时修复金属表面产生的磨损缝隙并使金属恢复初始性状，还可有效减少其摩擦振动并提升综合效能。
编辑：黄灵 yeshzhwu@foxmail.com
