多級次氫鍵仿生策略人工合成超韌性自修復材料取得重要進展
近年來，受到大自然生物體啟發的人工合成智能自修復材料是國際前沿性課題。當材料被賦予自修復性能后，其使用壽命可顯著延長，在航空航天、電子器件、化工新能源材料等領域具有非常重要的意義。通過引入超分子鍵弱相互作用，例如金屬配位鍵、氫鍵、主客體作用力等，材料可被賦予動態可逆重構功能，進而實現材料損傷的自我修復，這是早期發展的合成策略。為了達到可修復的效果，自修復材料的力學性能往往較弱，導致其應用大大受限。因此，構筑具有優異力學性能的自修復材料目前仍然是一個巨大的挑戰。最近，中國科學院過程工程研究所的李國良研究小組在國際著名期刊《德國應用化學》雜志上發表了題為“Towards Dynamic but Supertough Healable Polymers through Biomimetic Hierarchical Hydrogen-Bonding Interactions”的文章，并被選為VIP (Very Important Paper)論文。
我們知道，生命體中的蛋白質──肌聯蛋白（Titin）具有分子彈簧的作用，在肌肉損傷時可以自我修復，并且具有很好的韌性。研究表明，肌聯蛋白具有的獨特分子結構和超分子氫鍵作用是其性能優異的主要原因。李國良研究小組通過模仿肌聯蛋白分子結構，在高分子材料的分子設計中引入多級次氫鍵作用力，合成了具有超韌性和高拉伸強度的自修復材料。此合成策略制備的材料不僅具有可修復性能，而且修復后的拉伸強度高達44 MPa，同時具有大的形變及回彈性，韌性值高達345 MJm-3，是目前報道的可修復材料中的最大值。當破損的薄膜材料完成自修復后，其可輕松提拉起10kg重物，且承重過后材料可以迅速恢復至原來的形狀。作者采用了原位變溫紅外等手段表征了多級次氫鍵的分子作用原理，小角散射手段驗證了其微觀相分離結構，從分子理論層面理解超韌性自修復材料的結構與性能關系。此項研究獨辟蹊徑，采用的多級次氫鍵作用仿生策略是人工合成自修復材料有效的新方法，為智能自修復材料的分子設計提供了獨特視角。
圖1. 基于多級次氫鍵仿生策略構筑的超韌自修復高分子材料
圖2. 已經報道的可修復材料的韌性值統計
上述工作的第一作者是宋妍博士，通訊作者為李國良研究員，該項研究得到了北京市科技新星等經費支持。此外，該成果申請了國家專利（申請號：201710658830.7）。由于聚氨酯薄膜材料用途廣泛，此項具有我國自主知識產權的研究成果正在積極地進行轉化，希望能為國民經濟做出貢獻。
參考文獻：
Song, Y.; Liu, Y.; Qi, T.; Li, G. L., Towards Dynamic but Supertough Healable Polymers via Biomimetic Hierarchical Hydrogen Bonding Interactions.Angewandte Chemie International Edition, 2018, DOI: 10.1002/anie.201807622.
