Nature Chemistry: 斯坦福大学研究团队合成出具有自修复功能的高弹体材料

动物肌肉作为一种极佳的仿生材料样本，具有强度高、弹性好及自修复等优异性能。一直以来，研究人员都在寻求合成具有动物肌肉性能的聚合物材料。通常，这种材料中包含的键合需要具有一定的强度，同时也需要足够的弹性，这样才能完成可逆的自修复功能。目前，很多的高分子的结构模型都会包含氢键，但是氢键对水极为敏感。

近日，一个由斯坦福大学牵头的合作研究团队合成了一种性能类似于动物肌肉的聚合物弹性体，且在室温下保持稳定，同时对水不敏感。这种聚合物材料可以作为人造肌肉，表现出良好的伸缩弹性、自修复及介电强度，并且可以通过改变配合基-金属的摩尔比以及在配合基上增加功能团这两种方式调控材料的分子结构，进而可以控制材料的性能。相关研究成果发表在Nature Chemistry上。

文献图注

图1 材料的设计结构及单分子力谱表征
a, b:在拉伸载荷下实现自修复功能的结构演变以及示意图；
c: 材料的合成结构以及拉伸下的链折叠滑动机制；
d: H2pdca-PDMS和Fe-Hpdca-PDMS两种聚合物单链的典型力-位移曲线；
e: Fe-Hpdca-PDMS聚合物的在循环加载卸载下的力-位移曲线，表现出良好稳定的自修复功能。

图2 Fe-Hpdca-PDMS聚合物的力学性能
a: 一种合成的典型薄膜拉伸至10,000%前后的照片；
b: 不同Fe(III) :H2pdca-PDMS比值薄膜的应力应变曲线，结果显示，比值越小，材料的延展塑性越高；
c: 加载速率对合成材料应力应变曲线的影响；
d: 材料的循环应力应变测试，黑线表示第一次加载卸载，接着马上进行第二次加载卸载（红线），放置一小时后，再次进行加载卸载（蓝线）。

图3 Fe-Hpdca-PDMS薄膜的自修复功能
a: 损伤及修复样品的光学照片；
b: 修复样品拉伸前后的照片；
c: 室温下修复不同时间的应力应变曲线，结果显示，时间越长，材料的延展性越好；
d: 不同修复温度及时间条件下的应力应变曲线对比。

图4 由Fe-Hpdca-PDMS合成的自修复人造肌肉
a: 自修复弹性体的原始薄膜；
b: 尖顶穿透使材料产生剧烈的机械损伤；
c: 样品在室温下修复72小时后的情况，黑色圆圈就是之前造成损伤的位置；
d: 评价修复后的弹性体是否能够作为介电弹性体驱动器的实验装置示意图；
e, f: 介电弹性体驱动器在施加高压前后的照片，结果显示，强烈的电场并没有在修复的位置造成介电机穿，仅仅产生了3.6%的面积膨胀。

论文地址：http://dx.doi.org/10.1038/nchem.2492

感谢材料人编辑部尉谷雨提供素材