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自愈塑料——能自我修复的神奇材料

发布日期:2014-11-24 11:02:47 关注次数 [ 0 ] 发表评论 [ 0 ]
[导读]美国伊利诺伊大学的研究人员正在研发一种材料,这种材料能“流血”来修复损伤,以此对难以修复的物品进行“治疗”。前沿材料每天都在变得更加轻巧、结实且易于生产,比如石墨烯——一种只有一个碳原子厚度的单

美国伊利诺伊大学的研究人员正在研发一种材料,这种材料能“流血”来修复损伤,以此对难以修复的物品进行“治疗”。

 

 

前沿材料每天都在变得更加轻巧、结实且易于生产,比如石墨烯——一种只有一个碳原子厚度的单层片状材料,它为多项工业的转变都提供了新的可能性,比如海水淡化、太阳能电池以及疾病探测。

 

 

但是我们的人造材料仍然缺少一种亟需的本领,这种本领对植物根部和人类皮肤来说都是天生的,那就是自愈的能力。

 

 

然而由美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的斯科特·怀特(Scott White)所领导的研究团队已经开始让此发生改变。他们给塑料加上了一种人造导管系统,并在这些“假血管”中注入能发生化学反应的液体,这样当塑料裂开时,这些液体就能混合,像血液凝结一样使材料凝固,以使物品免遭更多损伤。

 

 

在演示视频里,研究团队在一块塑料板上测验了这一技术。他们把两种液体分别从不同的导管注入塑料板,然后在板上钻了一个直径为4毫米的小洞。这个小洞使塑料板产生了裂缝,导致导管中的液体流出,然而由于导管系统的作用,液体渗入小洞和裂缝,用20分钟形成了厚厚的凝胶,阻止了损伤的继续扩散。研究团队表示,凝胶用时3个小时凝固,最终自愈后的强度约为原材料的60%。

 

 

研究人员设想,这项技术可用于保护包括军用设备和建筑材料在内的任何物品,并可能在紧急情况下或难以到达的工作场所中运用,节约时间和人力。

 

 

对于曾用过从五金店买来的环氧树脂的人来说,这种化学混合和凝固的过程也许很熟悉。但是本研究的联合作者之一布雷特·克鲁尔(Brett Krull)说,研究团队已经弃用了环氧树脂,主要是因为其反应速度太过缓慢。

 

 

克鲁尔还说,这种新型塑料产生的效果虽然和环氧树脂相似,但其修复损伤的速度要快得多。

 

 

根本性的不同在于:

 

 

“我们设计的系统要进行两种不同的转变过程,而环氧树脂的工作原理则不同。”克鲁尔说道,“液体一混合,两种化学反应就立即开始了,但它们是在完全不同的时间段内发生的。”

 

 

克鲁尔说,第一种反应在30秒内使混合物成为软凝胶,这能使化学物质停留在损伤区域内,同时还能让液体在孔洞或裂缝未填满前继续流入。第二种反应在其后发生,使化学物质成为固体,其速率是可通过改变化学物质的成分和浓度来控制的。

 

 

“我们的化学过程没有自然系统那么复杂,”克鲁尔说,“但是我们设计了一个能随时间变化对损伤做出响应的系统。”

 

 

怀特和他的研究团队展示了过去使用的另一种方法,就是用环氧树脂和嵌入式微球来修复细微的裂痕。但是新的导管法使更大规模的修复得以实现。例如,这项技术可用于修复水下钻机的侧面切口,或者是航空器和流星相撞后留下的坑洞。

 

 

在继续研发自愈材料的过程中,研究人员依然面临着挑战,包括如何在不大幅度减弱材料(此案例里为塑料)的坚实度和修复力的前提下提升导管网的效率。研究团队还想让材料具有随时间对多种“伤口”都能进行自愈的能力。

 

 

这些化学物质也有可能继续改进,从而修复更大面积的损伤。据《新科学家》杂志表示,这些化学物质对8毫米以上的孔洞就不起作用了。研究团队认为,在导管内用泡沫状凝胶替代液体能达成更大面积的修复,但是研究人员至今还未对这项进行测试。

 

 

克鲁尔说,他们也会寻求让材料在不同环境中都能起到效果,比如极端温度下、水下或太空内。(目前为止,测试大多只是在实验室内进行的。)

 

 

虽然这项技术在某天也许会应用于消费品,但现在指望这种自愈材料能神奇地修复你的手机后壳或汽车保险杆还为时尚早。克鲁尔说,这项技术还处于发展初期阶段。并且鉴于这项研究是由美国空军资助的,此材料可能会首先运用于战斗机、坦克或航空器,以及像水下钻探设备这样难以修复的装置。

 

 

但这只是这种材料未来可能性的开始,克鲁尔这样说到。

 

 

“修复后的材料不如原始的材料好,因此现在的成品更像是一个疤痕。”克鲁尔说,“我们的长期目标是研发出一种真正的可再生聚合物,让由于损伤而缺失的材料可由组成完全相同的材料来填补。”

 

译者: SuperWing 原作者:Matt Safford



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