中國(guó)有句俗語(yǔ)，叫作“破鏡難圓”。當(dāng)一件我們極為心愛的物品意外摔裂或者出現(xiàn)裂紋時(shí)，往往令人心疼不已，又難以割舍丟棄。因而，人們總是幻想著是否有這樣一種技術(shù)，能夠讓其恢復(fù)如初。而今，隨著“自修復(fù)材料及其技術(shù)”的問世，“破鏡重圓”已經(jīng)成為可能——墻體開裂后能夠自動(dòng)修復(fù)，車輛剮蹭掉漆處可以自動(dòng)修補(bǔ)，手機(jī)屏幕的劃痕逐漸自動(dòng)消失，衣服上的破洞得以自動(dòng)彌合……

自修復(fù)技術(shù)的“奧妙”

在較長(zhǎng)的一段時(shí)間中，自我修復(fù)技術(shù)的概念僅存在于科幻領(lǐng)域。譬如，漫威電影《鋼鐵俠》中的主角之所以能夠自動(dòng)復(fù)原戰(zhàn)衣，其關(guān)鍵元素就在于自修復(fù)技術(shù)。但隨著當(dāng)前科技的不斷創(chuàng)新與突破，自修復(fù)技術(shù)正從科幻步入現(xiàn)實(shí)。

那么，自修復(fù)技術(shù)的“奧妙”何在，原理是什么？幾乎所有人都有過類似這樣的經(jīng)歷：當(dāng)皮膚不小心被劃傷出血后，經(jīng)過一段時(shí)間，傷口即會(huì)自動(dòng)痊愈。這是由于血液中血小板的凝聚能夠?yàn)閭诩皶r(shí)止血，進(jìn)而促使傷口的愈合。受到這一人體生理特性的啟發(fā)，科學(xué)家們?cè)谀７隆皞谟显怼钡幕A(chǔ)上，嘗試通過在材料中添加特定的修復(fù)、黏合物質(zhì)，從而達(dá)到材料的自我修復(fù)目的。簡(jiǎn)單來(lái)說，自修復(fù)技術(shù)，即：當(dāng)材料出現(xiàn)損傷時(shí)，能夠在特定環(huán)境條件下，通過材料內(nèi)部預(yù)置的特殊結(jié)構(gòu)或物質(zhì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)的功能。

那么，這種自我修復(fù)的“秘密武器”究竟是什么呢？原來(lái)，科學(xué)家會(huì)在自修復(fù)材料中引入一些特殊的分子結(jié)構(gòu)或化學(xué)鍵。當(dāng)材料出現(xiàn)損傷時(shí)，這些結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生反應(yīng)并令材料自行修復(fù)。此外，某些自修復(fù)材料中還帶有封裝有修復(fù)劑的微管、微膠囊等結(jié)構(gòu)，當(dāng)材料因損傷而出現(xiàn)裂縫時(shí)，微管、微膠囊便會(huì)釋放出修復(fù)劑，以填補(bǔ)裂縫并維系材料的完整性。

按照修復(fù)機(jī)理和方式的不同，自修復(fù)技術(shù)主要可以分為外援型和本征型兩大類：就前者而言，其是通過在材料表面或內(nèi)部添加裝有修復(fù)劑的微膠囊或液芯纖維等功能性物質(zhì)來(lái)進(jìn)行自我修復(fù)；后者則是通過材料內(nèi)部能夠進(jìn)行可逆反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，借助一定形式來(lái)進(jìn)行自我修復(fù)。

微膠囊自修復(fù)技術(shù)，需要將微膠囊和催化劑等物質(zhì)均勻混入材料。當(dāng)材料出現(xiàn)損傷后，微膠囊亦會(huì)同時(shí)破損并釋放出修復(fù)劑。隨后，修復(fù)劑與催化劑結(jié)合并反應(yīng)固化，進(jìn)而完成裂縫的自修復(fù)。不過，伴之微膠囊的破損，內(nèi)部修復(fù)劑會(huì)被全部釋放。這也決定了該技術(shù)是一種一次性的自修復(fù)方式。為了實(shí)現(xiàn)多次的自我修復(fù)，科學(xué)家們?cè)谀７氯梭w血管網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，使用相互連通的液芯纖維預(yù)先埋入基體材料中。損傷部位的液芯纖維釋放出修復(fù)劑并完成自修復(fù)后，修復(fù)劑即會(huì)被封裝，以便于后續(xù)的自修復(fù)使用。

不過，無(wú)論是微膠囊，還是液芯纖維等外援型自修復(fù)技術(shù)，一旦修復(fù)劑消耗一空，材料也就失去了自修復(fù)能力。為此，科學(xué)家們又嘗試研發(fā)了本征型的自修復(fù)技術(shù)。在光、熱、電磁等特定條件下，能夠?yàn)榛谂湮绘I、氫鍵、二硫鍵等的本征型自修復(fù)聚硅氧烷材料提供能量，進(jìn)而借助化學(xué)鍵的可逆性，來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的自我重新修復(fù)。

自修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域前景

如今，手機(jī)的應(yīng)用已極為普及。手機(jī)使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的屏幕碎裂或劃痕，無(wú)疑是一件令人糟心的事。試想一下，如果將屏幕受損的手機(jī)放在太陽(yáng)底下暴曬數(shù)小時(shí)，裂紋或劃痕便會(huì)自動(dòng)消失，這是否極為神奇？當(dāng)然，自修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域并非僅限于此，其在建筑、陶瓷和金屬等領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用前景。

▲建筑施工領(lǐng)域

建筑施工作業(yè)中，混凝土因其成本低、耐久性以及抗壓強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為一種必不可少的建筑材料。然而，由于環(huán)境影響以及混凝土材料的自身緣由，時(shí)間一長(zhǎng)，開裂就無(wú)可避免。這些裂縫，不僅破壞了建筑外觀，更對(duì)結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)了嚴(yán)重隱患。為了應(yīng)對(duì)這一問題，科學(xué)家們?cè)诮ㄖ炷令I(lǐng)域引入了自修復(fù)技術(shù)。微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)作為其中一項(xiàng)較為理想的技術(shù)，需要將細(xì)菌孢子和乳酸鈣填入混凝土之中。當(dāng)裂紋出現(xiàn)后，細(xì)菌孢子就會(huì)被氧氣和水激活，進(jìn)而生成碳酸鈣并填充修復(fù)裂紋；乳酸鈣則可為細(xì)菌孢子持續(xù)提供營(yíng)養(yǎng)?？茖W(xué)家們經(jīng)過測(cè)算，這一自修復(fù)能力幾乎可持續(xù)200年左右。

▲陶瓷材料領(lǐng)域

陶瓷不僅在日常生活中隨處可見，其也因較鈦合金更輕、更耐熱的優(yōu)勢(shì)，成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的理想型材料。不過，陶瓷易碎且脆性大的缺點(diǎn)，成了相關(guān)材料研發(fā)領(lǐng)域的難題。為此，科學(xué)家們研發(fā)出了一種能夠完成結(jié)構(gòu)自行修復(fù)的陶瓷材料。其需要將碳化硅置入氧化鋁陶瓷材料中作為“愈合劑”。當(dāng)陶瓷在高溫環(huán)境下破裂時(shí)，氧氣就會(huì)通過縫隙進(jìn)入并與材料中的碳化硅反應(yīng)生成二氧化硅。此時(shí)，隨著材料密度的降低，其體積則相應(yīng)發(fā)生膨脹。此外，這一過程還能促使氧化鋁的燒結(jié)，進(jìn)一步推動(dòng)裂縫愈合并恢復(fù)材料的原始強(qiáng)度?？茖W(xué)家們研發(fā)后發(fā)現(xiàn)，加入了“愈合劑”后的自修復(fù)陶瓷材料，在完成自修復(fù)過程后，其抗彎性能強(qiáng)度甚至超過了初始材料！

▲金屬材料領(lǐng)域

金屬材料的用途極為廣泛，人們?cè)谲囕v制造、航空航天等領(lǐng)域都可以看到金屬材料的身影。機(jī)械電器類產(chǎn)品中，金屬用料往往占據(jù)九成以上。但金屬材料的疲勞、損傷、腐蝕等問題，長(zhǎng)期以來(lái)阻礙著人們對(duì)金屬材料的進(jìn)一步使用。在航空、輪船、列車等交通運(yùn)輸過程中，金屬疲勞也會(huì)給人類帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。當(dāng)前，自修復(fù)技術(shù)有望能夠?yàn)榻饘俨牧蠋?lái)更強(qiáng)的耐腐蝕性以及更長(zhǎng)的使用壽命。磨損通常是金屬材料失效的重要因素之一。金屬自修復(fù)材料是針對(duì)解決金屬磨損問題而研發(fā)出來(lái)的，為各類礦物質(zhì)、催化劑和添加劑所組成的超細(xì)粉末，并以潤(rùn)滑油作為承載客體。當(dāng)加入了自修復(fù)材料的潤(rùn)滑油涂抹至產(chǎn)生摩擦的金屬工作面后，自修復(fù)材料不僅可以及時(shí)修復(fù)金屬表面產(chǎn)生的磨損縫隙并使金屬恢復(fù)初始性狀，還可有效減少其摩擦振動(dòng)并提升綜合效能。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com