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(qiáng)、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(qiáng)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(qiáng)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(dú)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(jī)械變形，從而給翅膀提供所需的強(qiáng)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(qiáng)作用。研究證實，蜻蜓的翅膀是輕量化的，其比強(qiáng)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(qiáng)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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