可以自我修复的新材料

编号功能高分子设计（论文）题目：自修复水凝胶化学与材料工程学高分子材料与工程专业学号1050212219学生姓名范玉丽指导教师袁妍刘敬成二〇一五年四月自修复水凝胶高分子材料1202 范玉丽1050212219摘要：自修复材料近几年以其优异的损伤管理性能备受关注,而在这些自修复材料中自愈性水凝胶由其良好的亲水性等而在医用方面尤为突出.这种软物质由具有动态特性的交联网络构建形成.这种材料具有本征性的自愈性,一方面可对外界破坏造成的损伤,进行自我修复.另一方面动态化学键对多种环境刺激具有响应性,能自我调节以适应环境变化,为将自愈性水凝胶开发为自适性多功能智能新材料奠定了基础.水凝胶具有优越的生物相容性以及和生物组织的相似性,在生物医用材料中如药物控制释放、组织工程修复、生物仿生等领域发挥着越来越大的作用,而开发具有自愈性的多功能智能水凝胶,将进一步拓展其应用.综述了近来基于动态化学的自愈性水凝胶的制备及其在生物医用材料领域中的应用研究.[1]关键词：自修复、水凝胶、物理型、化学型引文：材料的力学强度来自于结构的稳定性,而其实现自愈则需要本身产生流动相,二者是相互矛盾与相互协同的关系.水凝胶软而脆,结构内缺少分子链间相互作用,交联结构不具有动态特性,体系中仍然缺乏流动相,难以实现自愈.自20世纪80年代末,美国军方首先提出了智能材料和结构的概念,科学家一直在探索材料“自愈能力”的方法至今已有很多，如右图[2].据美国媒体3月5日报道,美国加州大学圣迭戈分校的生物工程学家加州大学圣迭戈分校的科学家们通过机械学原理创建一条“侧悬高分子链”,由水凝胶主体结构垂悬下来,给受损水凝胶部分一个可以攀附上来并重新粘合的机会,从而制出了自愈水凝胶早期的自愈性高分子材料主要集中于微胶囊、微管破裂引发再聚合实现修复损伤.早期材料的自愈性可以算是修补过程, 由于再聚合时需要引发相应的单体实现损伤部位的修补,因此这种自愈性通常只能实现一两次,无法重复修复损伤.目前的研究则更多集中在通过对材料本身的结构设计实现对材料损伤的自修复.这种自愈材料有赖于流动相机理,水凝胶中含有的水自然的充当了流动相,这种流动相分散了外界能量造成的冲击,并使材料在维持其骨架的情况下对物质和能量重新分配来达到新的平衡态.[1]正文1.物理型自愈合水凝胶[3]凝胶材料内部的氢键、疏水相互作用、静电作用、π-π堆叠等非共价键充当交联点,可通过他们的破坏和再形成实现自愈合的功能.有以下几种类型：疏水作用自愈合水凝胶、大分子扩散作用自愈合水凝胶、静电作用自愈合水凝胶、金属配体自愈合水凝胶疏水作用自愈合水凝胶：例：丙烯酰胺/辛基酚聚氧乙烯(4)醚丙烯酸酯疏水缔合水凝胶；将疏水基的甲基丙烯酸十八烷酯或丙烯酸二十二烷酯与亲水性的聚合物共聚反应,在亲水性聚合物网络中引入疏水相互作用,长的疏水性侧链在水溶液中聚集,充当可逆交联点.大分子扩散作用自愈合水凝胶：例：纳米粘土/高分子聚合物自愈合水凝胶将纳米粘土引入到凝胶体系中,其中纳米粘土在体系中充当交联点的作用,高分子单体与纳米粘土之间以氢键相结合,当凝胶发生破坏时,将破坏的凝胶断面相接触,界面附近的亲水性高分子链相互扩散再次形成非共价键,实现自愈合功能.研究发现,自愈合能力与纳米粘土百分含量、自愈合温度和接触时间有关.化学型自愈和水凝胶：化学型自愈合凝胶是指在凝胶分子内部引入化学键如酰腙键、亚胺键、双硫键、DA可逆共价键等,通过这些化学键的破坏和再结合以及可逆反应等实现凝胶的自愈合功能.现有如下几种类型：酰腙键自愈合水凝胶、双硫键自愈合水凝胶、芳基硼酸酯自愈合水凝胶、三硫酯自愈合水凝胶酰腙键自愈合水凝胶：酰腙键在动态非共价键中属于结合较稳定的一类,具有相对稳定的网络结构.在不同pH 值条件下,弹性模量随pH 降低略有增加,具有明显的频率依赖性,加入苯胺后,酰腙键的平衡受到影响,在中性条件下表现出了动态可逆的特性,而宏观上实现了自愈.自愈前后的水凝胶力学性能不存在明显差异.由于酰腙键和双硫键分别具有的酸碱响应和氧化还原响应,使得水凝胶在加入酸、碱、氧化还原物质时会出现溶胶-凝胶的转变,说明材料具有自适性.亚胺键自愈合水凝胶：亚胺键对于不同反应底物其平衡常数范围很广,如不同的氨基和醛基在不同环境下,包括在不同pH 值、不同溶剂体系等条件下存在丰富的变化情况,为材料提供了更多的可调控性. 目前广泛应用于生物医用材料中的高分子如壳聚糖、聚赖氨酸、聚乙烯亚胺、葡聚糖、蛋白质及多肽等物质含有丰富的氨基,且在现有的生物相容性高分子,如聚乙二醇上通过化学改性修饰上氨基与醛基也相对简单.在水凝胶被打孔后,界面提供的微小能量即使水凝胶产生流动相,一段时间后孔洞消失,界面变得模糊,材料完成自愈合此外,亚胺键的动态特性使得水凝胶在宏观上对外界环境具有多重响应的特征,并可在外力方向上产生自适性的调节.如体系中加入维生素B6衍生物如盐酸吡哆醛,由于吡哆醛与壳聚糖上的氨基具有更强的结合能力,因此原有的交联点被新的动态平衡取代,使得水凝胶崩解变成溶胶,类似的溶胶-凝胶变化也可以通过加入其他生物活性物质如赖氨酸等富含氨基的小分子调控动态平衡实现.此外,可以加入木瓜蛋白酶等对壳聚糖骨架进行降解,造成水凝胶的解体.在不同的外界刺激条件下,药物模型分子表现出不同的释放行为,具有可控释放的特点.值得一提的是,大分子蛋白药物,即溶菌酶在释放后活性几乎不受影响,为这一水凝胶在后续可能的在生物医用材料方面的应用提供了良好的基础对于开发生物医用的水凝胶,良好的生物相容性是不可或缺的.在生物组织之中,细胞是以三维形式分布的,因此,三维细胞培养也是目前细胞培养的新趋势.为了更好地模拟细胞生存环境,就要求在体外培养细胞时也能具有类似于体内的三维环境.生物相容性极好的水凝胶就是一种非常具有应用前景的细胞三维培养材料.同时,动态化学键的存在使得水凝胶内的细胞本身处于一种动态的环境之中,体内三维环境的变化会导致细胞生长状况及形态学的改变,而动态环境有助于细胞相互间的接触传递信息以及与环境的互动等.在动态水凝胶中,相对于二维培养环境可以更好地模拟这种变化,在更接近生理环境的状态下培养并观察细胞.同时,一种新兴的治疗手段——细胞治疗也受到了人们越来越多的关注.该疗法将具有特定功能的细胞在体外进行培养增殖后回输入注入病患体内进行治疗.而常规的输入手段是直接将细胞悬液注入静脉,这势必会导致注射细胞随血液循环、体液流动而大量流失,极大地影响了治疗效果.将细胞包覆于水凝胶内直接对患处进行注射则可以较好地解决上述的问题,实现更有效的主动靶向给药.这时,自愈性水凝胶的优势得到明显的体现,如制备过程简易温和,不会造成细胞活性的损失; 注射后破坏的水凝胶在患处实现自愈后保持了材料的相对完整性,可将细胞固定于患处,并保护细胞免受代谢系统的破坏. [2]三硫酯自愈合水凝胶：该类水凝胶中含有C=S双键和C—S单键,c=S双键可与自由基发生加成反应,生成新的C—S和C=S键,原有的两个C—s单键中有一个发生断裂形成新自由基进而与另一三硫酯单元发生反应,通过这一反应建立动态平衡,实现可逆加成一断裂链转移自由基聚合,最终实现自愈合功能.结语：水凝胶自愈技术虽好,目前却还停留在试验阶段,本人认为若研究出并掌握这一技术可用于各种可用于各种领域下,医学方面如近视、远视、白内障、骨膜修复等的治疗,还可以根据这一发现做成各种化妆品等,做新型玩具等总之有很好的前景.只是同是也要考虑下污染处理的问题,怎样让它在设定的时间降解同时又不影响其品质也是一问题.参考文献[1] 张亚玲，杨斌，许亮鑫，等. 基于动态化学的自愈性水凝胶及其在生物医用材料中的应用研究展望[J]. 化学学报. 2013(71): 485-492.[2] Lin B, Lu J. Self-healing mechanism of composite coatings obtained by phosphating and silicate sol post-sealing[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014, 24(8): 2723-2728.[3] 赵志桩，王法，张晓阳，等. 智能水凝胶研究进展[J]. 化学工程师. 2014, 28(1): 33-36.。

金属自修复材料的制备与性能研究随着科技的发展，新材料的研发也取得了重大突破。

其中，金属自修复材料成为了研究的热点之一。

金属自修复材料是一种能够在遭受损伤后自行修复的材料，具有很高的应用潜力。

本文将探讨金属自修复材料的制备与性能研究。

一、金属自修复材料的制备方法目前，制备金属自修复材料的方法主要有两种：一是通过添加特殊合金元素来实现自修复功能；二是利用纳米技术制备具有自修复能力的金属材料。

在第一种方法中，研究人员通过添加一些特殊的合金元素，如镍、铬、锌等，来提高金属材料的自修复性能。

这些合金元素能够与金属基体产生特殊的化学反应，在损伤发生后迅速填补缺口，实现自我修复。

此外，采用磁场和电流刺激等方法，也可以加速自修复过程。

另一种方法是利用纳米技术，将纳米粒子引入金属基体中，形成纳米复合材料。

纳米粒子的引入能够增强金属材料的塑性和韧性，从而提高自修复性能。

此外，纳米粒子还能够在损伤发生后迅速填补缺口，并与金属基体形成强力结合，实现自我修复。

二、金属自修复材料的性能研究金属自修复材料具有多种优异的性能，为广泛应用提供了可能。

首先，金属自修复材料具有很高的抗疲劳性能。

由于其自修复能力，金属材料在使用过程中遭受的疲劳损伤可以得到有效修复，从而延长了材料的使用寿命。

其次，金属自修复材料具有很好的耐腐蚀性能。

添加特殊合金元素或纳米粒子后，金属材料的耐腐蚀能力得到了显著提高。

这使得金属材料能够在恶劣环境中长时间使用，减少了维修和更换材料所带来的成本。

另外，金属自修复材料还具有优异的韧性和塑性。

通过纳米技术的应用，金属材料的晶界和晶粒尺寸得以调控，从而使其具备了更好的韧性和塑性。

这使得金属材料可以在受到外力时迅速自我修复，减少了因外力作用而导致的断裂和变形。

此外，金属自修复材料还有较高的导热性能。

添加纳米粒子后，金属材料的导热系数得到了显著提高。

这使得金属材料在高温下维持较好的导热性能，有利于减少热量的损失和传导，提高能源利用率。

龙源期刊网 手机碎屏30秒可自我修复神奇的“自愈”材料作者：赵鹏来源：《科教新报》2018年第03期随着技术的发展，科学家们对新材料的研究也越来越深入，其中，可以“自愈”的材料成为科学家们最新的探索方向。

这些神奇的“自愈”材料或技术能够识别损害的出现，并立即进行自我修复，下面就来看看这3种材料及技术是如何实现“自愈”的。

“自愈”橡胶这种与天然橡胶相当、可自我修复的新型“自愈”橡胶是由四川大学客座教授吴金荣联合哈佛大学博士后研究员蔡立恒研发出的。

这种新型“自愈”橡胶受到拉力时，会出现网状纹路，该纹路形似裂纹但不会完全裂开，而是保持着一些纤维状的连接物。

网状纹路能分散拉力，防止材料出现无法修复的严重断裂。

拉力消失后，橡胶会恢复原来的形状，并保留约30%的抗拉强度。

未来，这种“自愈”橡胶可能应用于汽车轮胎，轮胎爆胎后可以在机动车行进过程中自我修复，还能像天然橡胶一样强韧，极大提高了机动车的整体安全，有助于减少交通事故的发生。

“自愈”玻璃东京大学Takuzo Aida教授领导的研究团队研制出了一种新型玻璃材料，即聚醚硫脲玻璃。

这种材料的机械强度很高，在对其表面裂缝进行压缩时，可以完成自我修复。

与其他材料的修复不同，这种材料的修复无需极高的温度，在21℃的环境下，仅需30秒，玻璃碎片便可愈合，几个小时后，玻璃碎片就能恢复到之前的强度。

这种新材料可以应用于手机屏幕，有利于环保。

“自愈”路面这是一种沥青混凝土路面修复技术，由俄罗斯专家研发。

据悉，路面材料中的多壁碳纳米管能导电，这就决定了其具有很高的感应灵敏度。

通过使用一种类似微波炉，外形上与沥青压实机相似的设备，一边行驶一边为路面加热，可带动纳米管使“道路伤口”愈合。

因为这种技术只对覆盖在石材之上的沥青薄膜进行感应加热，不需要改变沥青混凝土的成分，所以可以有效提高路面的修复效率。

改变世界的十种新材料材料的发展和创新对于推动人类社会的进步和改变具有极其重要的意义。

新材料的出现不仅能够改变我们对物质世界的认识，也在很大程度上推动了各个领域的科技革命。

在这篇文章中，我们将探讨十种具有潜力改变世界的新材料。

1. 石墨烯（Graphene）石墨烯是一种碳的单层结构，具有高度强度、导电性、导热性等优良特性。

它既是世界上最薄的材料，又是世界上最强硬的材料之一。

石墨烯的出现引发了可穿戴电子设备的热潮，也为汽车、航空航天、电池等领域的发展提供了新的机会。

2. 透明铝（Transparent Aluminum）透明铝是一种新型的陶瓷材料，具有非常高的硬度和耐磨性。

由于它的透明性，透明铝在玻璃窗、车窗、太阳能板等领域具有广泛的应用前景。

透明铝的出现可能彻底改变我们对于材料的传统认知。

3. 磁浮材料（Magnetic Levitation）磁浮材料是一种具有自旋磁矩的材料，能够在无需任何外界力的情况下悬浮在磁场中。

磁浮材料在高速列车、磁悬浮列车等交通工具中具有广泛的应用前景，并有望改变我们的出行方式。

4. 透明太阳能材料（Transparent Solar Materials）透明太阳能材料是一种能够将光能转化为电能，并且具有透明性的材料。

透明太阳能材料的出现将为建筑物和汽车等领域提供了新的能源解决方案，有望成为未来能源发展的重要突破口。

5. 生物可降解材料（Biodegradable Materials）生物可降解材料是一种可以被自然环境分解、降解的材料。

生物可降解材料的应用涵盖了包括医疗、包装、农业等多个领域，并且能够减少对环境的污染和损害。

6. 多层陶瓷材料（Multilayer Ceramic Materials）多层陶瓷材料是由多层陶瓷片堆积而成的复合材料，具有高强度、高硬度、高耐磨性等特点。

多层陶瓷材料在刀具、机械零部件等领域具有广泛的应用前景，并且有望提高工业生产效率和产品质量。

高分子材料自修复性能研究随着现代工业技术的不断发展，高分子材料作为一种极具应用前景的新材料，已经被广泛应用于航空、航天、汽车、电子等诸多领域。

但是，高分子材料在使用过程中，不可避免地会受到外部环境的影响，比如物理冲击、热变形、化学腐蚀等。

这些因素会导致高分子材料出现损伤，从而影响其使用寿命和性能。

为了解决这个问题，科研人员开始研究高分子材料的自修复性能。

本文将介绍高分子材料自修复性能的研究进展和应用前景。

一、高分子材料自修复性能的研究进展高分子材料的自修复性能指的是在外力引起的损伤后，高分子材料可以在一定条件下自主进行修复。

目前，高分子材料自修复性能的研究主要分为三个方面：自愈合、自缩合、自生长。

1. 自愈合自愈合是指高分子材料在受到损伤后，利用内部原有的物质或额外加入的物质，自行进行愈合，在一定程度上恢复原本的结构和性能。

这种修复方式主要应用于聚合物材料，包括共聚物、交联聚合物、高分子混合物等。

目前，许多研究人员致力于研究自愈合材料的合成和机理。

其中，一种常用的方法是利用高分子之间的相互作用力，例如氢键、离子键、范德华力等，将自愈合物质引入到高分子材料中。

这些物质可以在高分子材料中形成局部的物理挤压效应，从而在受损位置产生愈合效应。

2. 自缩合自缩合是指高分子材料在受到损伤后，在一定条件下，仅进行缩合修复。

这种修复方式主要应用于自缩合材料中，比如含有自缩合基团的聚合物、交联聚合物、溶胶凝胶等。

自缩合材料的修复机制主要是利用自缩合基团的特殊性质进行修复。

这些基团可以通过自身的缩合作用，形成一种类似黏合剂的物质，在高分子材料中形成局部的修复效应。

3. 自生长自生长指的是高分子材料在受到损伤后，利用外界的物质和自身内部的物质，进行自我生长修复。

这种修复方式主要应用于含有自生长基团的聚合物材料中。

自生长材料的修复机制主要是利用自生长基团的特殊性质进行修复。

这些基团可以通过在一定条件下的反应，生成一种与原材料相似的物质来填补损伤处。

智能材料自愈：自我修复的创新科技在当今这个科技飞速发展的时代，智能材料的自愈能力成为了材料科学领域的一个热点话题。

这种自我修复的创新科技，不仅能够延长材料的使用寿命，还能在一定程度上减少资源浪费和环境污染。

自愈材料的核心原理在于模仿自然界中生物体的自我修复机制。

例如，人体在受伤后能够通过细胞的增殖和组织重建来修复伤口。

科学家们受到这一启发，研发出了能够在受到损伤后自动修复的材料。

这些材料通常包含特殊的微胶囊或者纳米结构，它们在材料受损时释放出修复剂，从而实现自我修复。

在实际应用中，自愈材料已经被用于多个领域。

在汽车工业中，自愈材料可以用于制造更耐用的轮胎和车身面板，减少因小划痕和磨损导致的维修成本。

在建筑领域，自愈混凝土能够自动修复微小裂缝，延长建筑结构的寿命。

此外，自愈材料在电子设备中也有广泛应用，例如，自愈电路板能够在受损后自动修复电路，提高设备的可靠性和安全性。

然而，自愈材料的研究和开发仍面临一些挑战。

首先，修复效率和修复范围是限制其广泛应用的关键因素。

目前，许多自愈材料的修复速度较慢，且修复效果有限。

其次，成本问题也是一个不容忽视的因素。

自愈材料的生产成本往往高于传统材料，这限制了它们在市场上的竞争力。

尽管如此，随着科技的进步和新材料的不断涌现，自愈材料的发展前景仍然十分广阔。

未来的研究可能会集中在提高修复效率、扩大修复范围以及降低成本等方面。

此外，智能自愈材料的集成应用，如将传感器和自愈材料结合，可以实现对材料损伤的实时监测和自动修复，这将进一步推动智能材料技术的发展。

总之，智能材料的自愈能力是材料科学领域的一次革命性创新。

随着研究的深入和技术的成熟，我们有理由相信，自愈材料将在未来的工业和日常生活中发挥越来越重要的作用，为人类社会带来更加可持续和高效的发展。