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作者:任霄鹏 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2008-2-21 15:47:43
《自然》:神奇“自愈合”橡胶切断后可重接
 
法国科学家最近开发出一种神奇的“自愈合”(self-healing)橡胶,在一分为二后,它能够重新接合起来,而且仍然具有良好的弹性。这一神奇的性质无疑为新的材料开辟了广阔的应用前景。相关论文发表在2月21日的《自然》杂志上。
 
领导这项研究的是法国高等理工化工大学(Industrial Physics and Chemistry Higher Education Institution)的Ludwik Leibler,他和同事利用的初始原料十分简单——脂肪酸和尿素,而最终得到的新材料是一种能够伸缩的复杂交错结构。
 
传统的橡胶都是由单一连续的弹性分子构成,彼此间以较强的共价键连接。当材料断裂时,共价键也被切断,并且无法重新恢复。Leibler等人的方法就是利用较小的脂肪酸分子团来代替。通过将脂肪酸分子与尿素进行两步化学反应,一些含氮化学基团(如氨基和咪唑烷酮)就会“粘”到脂肪酸分子的各端,这样脂肪酸彼此之间就以氢键(氢原子和其他原子间的强引力)相连。
 
最终得到的分子系统是相当不均一的:一些脂肪酸有3个突出的集团,而另外一些只有两个。这就意味着该物质无法结晶成为硬的可碎的材料。相反,它能够延伸到原始尺度的5倍大小并恢复原状——尽管这一过程比一般的橡皮筋要慢,大约花费1分钟左右。
 
当这种新型橡胶被切断时,脂肪酸分子团体间的氢键断裂,分子各端的氨基等基团暴露出来。由于氨基之间天生“愿意”相互联系,当橡胶断口被重新对压在一起时,氢键又会重新形成。断口维持在一起的时间越久,这种重建的联系就越强烈,橡胶的自我修复也越完善。
 
研究发现,经过15分钟,新的切口就能得到较好的恢复,重建的橡胶能延伸到原尺寸的两倍。修复的橡胶这时尚不完美,如果没有足够长时间的“修养”,它还会在伤口处发生断裂。此外,这种橡胶只能与同时断裂的另一半相接,而修复过程也不会很快——18个小时后,断口处仍在进行有效的重建。(观看Nature网站视频
 
尽管科学家此前也开发出多种自愈合材料,但此次研究最大的亮点在于,该橡胶的修复不需要加热或者很大力量的作用,只要在室温下、断口轻轻接触就能完成。
 
英国剑桥大学的化学家Oren Scherman表示,“新的研究思路十分单纯,而让资源变得可更新也值得称道。这具有很好的启发意义。”而日本东京大学的Takuzo Aida也认为,该材料的意义绝不仅限于新奇,“该发现十分贴近商业应用”。Ludwik Leibler本人希望这种橡胶能够用在玩具上,因为“孩子们爱破坏东西”。(科学网 任霄鹏/编译)
 
(《自然》(Nature),451, 977-980 (21 February 2008),Philippe Cordier, Ludwik Leibler)
 
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