受蜻蜓翅膀微結(jié)構(gòu)啟發(fā)的堅韌可修復(fù)材料?。圖片來源：吳凱等

日前，南京理工大學(xué)教授傅佳駿和四川大學(xué)教授傅強、副研究員吳凱合作報道了一種以蜻蜓翅膀為靈感打造的堅硬而強韌的可修復(fù)材料。相關(guān)論文近日刊登于《物質(zhì)》。

受到生物體能夠自主修復(fù)自身結(jié)構(gòu)、性能和特定功能的啟發(fā)，研究人員開發(fā)出了一系列基于超分子相互作用（如氫鍵、配位鍵、離子鍵等）的可修復(fù)聚合物材料。由于非共價相互作用在分子層面能夠可逆地斷裂結(jié)合，該類材料不僅具在理論上有無限次修復(fù)能力，而且還能修復(fù)原有功能，如導(dǎo)電、傳感、抗腐蝕等。

近年來，研究人員專注于開發(fā)具有高強度、高模量的可修復(fù)材料，這類材料在智能建筑、航空航天、汽車工業(yè)等高科技領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前報道的基于超分子相互作用的剛性可修復(fù)材料都表現(xiàn)出脆性斷裂的特征。簡言之，這類材料的斷裂韌性很低，導(dǎo)致材料在使用過程中出現(xiàn)災(zāi)難性的斷裂，從而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

蜻蜓翅膀具有從微納尺度到宏觀尺度的獨特分級結(jié)構(gòu)，這種分級結(jié)構(gòu)完美地賦予了其卓越的力學(xué)性能。例如，蜻蜓翅膀中剛性的翅脈能夠抵抗機械變形，從而給翅膀提供所需的強度和剛度，而嵌入翅脈中的翅膜則能夠有效的分散外界作用力，所以翅膜和翅脈組合而成的連通型混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有協(xié)同增強作用。研究證實，蜻蜓的翅膀是輕量化的，其比強度和比剛度高于商用航空鋁合金。而同時，由于蜻蜓翅膀具有高度規(guī)則的分級結(jié)構(gòu)和特殊的止裂效果，它還具有優(yōu)異的韌性、承載能力和抗疲勞能力，這也給翅膀提供了保護(hù)作用，防止空氣摩擦使蜻蜓翅膀折斷。

有鑒于此，研究人員通過定構(gòu)加工的思路，在硬而脆的可修復(fù)聚合物基體中植入三維互聯(lián)的仿蜻蜓翅膀微結(jié)構(gòu)骨架，解決了剛性可修復(fù)材料脆性斷裂的問題。與初始的材料相比，制備的仿生復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能有了顯著提升，其剛度提高了3.8倍，強度提高了25倍，應(yīng)變提高了7.9倍，斷裂韌性則提高了54.3倍。

此外，制備的仿生復(fù)合材料還具有快速的光控可修復(fù)性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及良好的的電磁屏蔽能力，是一種多功能集成的堅韌復(fù)合材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.05.001


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