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  自修復(fù)材料由于可以有效地延長(zhǎng)材料的使用壽命、提高材料安全性以及減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生，在航空、軍工、建筑以及工程等領(lǐng)域中有著重要應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。經(jīng)過多年的發(fā)展，自修復(fù)材料的研究已經(jīng)從探索新類型和新機(jī)理走向了功能化和應(yīng)用化。為了滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)材料強(qiáng)度的需求，開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械性能的自修復(fù)材料成為目前的研究熱點(diǎn)。但是，對(duì)大多數(shù)自修復(fù)材料而言，優(yōu)異的機(jī)械性能和自修復(fù)性能往往難以兼得。一般而言，具有較強(qiáng)化學(xué)鍵的材料其機(jī)械強(qiáng)度高，但是由于化學(xué)鍵的動(dòng)態(tài)性和鏈的流動(dòng)性差，難以實(shí)現(xiàn)自修復(fù)；基于較弱化學(xué)鍵的材料無(wú)需外界刺激便可實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，但是材料力學(xué)強(qiáng)度低，難以應(yīng)用。因此，如何設(shè)計(jì)合成出兼具優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)和自修復(fù)性質(zhì)的材料是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。

  近年來(lái)，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、配位化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李承輝副教授和左景林教授等與美國(guó)斯坦福大學(xué)鮑哲南教授合作在高強(qiáng)度自修復(fù)材料的研究中取得了系列進(jìn)展。他們利用強(qiáng)弱配位鍵的結(jié)合，設(shè)計(jì)合成了高彈性的自修復(fù)材料（Nat. Chem., 2016, 6, 619-625）。通過高強(qiáng)度可逆硼氧鍵的引入，利用“少而精”的策略制備了一種水觸發(fā)的硬質(zhì)自修復(fù)材料（Adv. Mater., 2016, 28, 8277；ZL201610299402.5）。同時(shí)，基于“積弱成強(qiáng)”的設(shè)計(jì)策略，他們還通過大量的羧基-Zn(II)弱配位作用制備了一種高強(qiáng)度的剛性自修復(fù)材料，該材料在3D打印和醫(yī)用外固定支架方面體現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景（Nat. Commun., 2018, 9, 2725；ZL201610504231.5）。

  最近，他們又通過在高分子鏈中引入熱力學(xué)穩(wěn)定而動(dòng)力學(xué)活潑的配位鍵，實(shí)現(xiàn)了高韌性材料的室溫自修復(fù)。通過分子設(shè)計(jì)，他們合成了一類基于雙亞胺鍵的變齒配體（Alterdentate Ligand，一類可向金屬離子提供一個(gè)以上等價(jià)配位點(diǎn)的配體）。該配體可以提供兩個(gè)配位等價(jià)的亞胺-N配位點(diǎn)，但是由于空間位阻作用，這兩個(gè)N原子無(wú)法同時(shí)和同一金屬離子進(jìn)行配位，因此這兩個(gè)N原子的配位作用可以發(fā)生等價(jià)替換，發(fā)生分子內(nèi)和分子間的交換作用，因此在動(dòng)力學(xué)上是活潑的。同時(shí)，所制備的配合物有著較大的結(jié)合常數(shù)，因此在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的。通過將這一特殊配位作用引入到高分子中，制得了高韌性的室溫自修復(fù)材料，材料呈現(xiàn)出非常優(yōu)秀的機(jī)械性質(zhì)，其斷裂韌度達(dá)29.3 MJ m-3（為目前所報(bào)道的室溫自修復(fù)材料的最高值），同時(shí)可以在室溫下24 小時(shí)后實(shí)現(xiàn)完全自修復(fù)。

  值得一提的是，該材料在抗沖擊吸能材料方面有著其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。吸能材料在日常生活中有著無(wú)可替代的重要意義，如保護(hù)交通事故中司機(jī)和乘客、保護(hù)高危運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)員、保護(hù)意外撞擊下的精密儀器、保護(hù)戰(zhàn)爭(zhēng)中的士兵等。粘彈性聚合物由于具有重量輕、柔軟和高的吸能效率，成為了吸能材料的理想選擇。粘彈性聚合物吸能效果的實(shí)現(xiàn)主要得益于粘性形變和鍵斷裂時(shí)對(duì)能量的吸收。本研究中所制備的高分子材料是一種高韌性的粘彈性材料，在受到外力拉伸后，將會(huì)發(fā)生鍵的交換作用，產(chǎn)生相應(yīng)的形變，從而吸收外部的能量。循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試結(jié)果顯示，該材料的能量吸收效率高達(dá)90%，在現(xiàn)有吸能材料中實(shí)屬罕見。該材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的成膜性，可涂覆在大部分物質(zhì)的表面。通過“浸漬和干燥”的方法，將該聚合物涂覆于海綿泡沫的表面，制得了兼具彈性和粘性性能的復(fù)合吸能海綿，其吸能效率為常規(guī)海綿的4倍。得益于聚合物優(yōu)異的室溫修復(fù)性能，該復(fù)合海綿的能量吸收能力可在2小時(shí)內(nèi)恢復(fù)。該材料在車輛碰撞保護(hù)、運(yùn)動(dòng)服裝和頭盔、防震墊和裝甲服等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

  該工作以“Thermodynamically stable whilst kinetically labile coordination bonds lead to strong and tough self-healing polymers”為題，發(fā)表在Nat. Commun., 2019, 10: 1164上。賴建誠(chéng)博士為論文第一作者，李承輝副教授、左景林教授和美國(guó)斯坦福大學(xué)的鮑哲南教授為該論文的通訊作者，鄭鵬教授及其博士生鄧逸冰進(jìn)行了單分子力譜方面的研究工作。以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)的資助。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09130-z