Nature Chemistry: 斯坦福大學研究團隊合成出具有自修復功能的高彈體材料

動物肌肉作為一種極佳的仿生材料樣本，具有強度高、彈性好及自修復等優異性能。一直以來，研究人員都在尋求合成具有動物肌肉性能的聚合物材料。通常，這種材料中包含的鍵合需要具有一定的強度，同時也需要足夠的彈性，這樣才能完成可逆的自修復功能。目前，很多的高分子的結構模型都會包含氫鍵，但是氫鍵對水極為敏感。

近日，一個由斯坦福大學牽頭的合作研究團隊合成了一種性能類似于動物肌肉的聚合物彈性體，且在室溫下保持穩定，同時對水不敏感。這種聚合物材料可以作為人造肌肉，表現出良好的伸縮彈性、自修復及介電強度，并且可以通過改變配合基-金屬的摩爾比以及在配合基上增加功能團這兩種方式調控材料的分子結構，進而可以控制材料的性能。相關研究成果發表在Nature Chemistry上。

文獻圖注

圖1 材料的設計結構及單分子力譜表征
a, b:在拉伸載荷下實現自修復功能的結構演變以及示意圖；
c: 材料的合成結構以及拉伸下的鏈折疊滑動機制；
d: H2pdca-PDMS和Fe-Hpdca-PDMS兩種聚合物單鏈的典型力-位移曲線；
e: Fe-Hpdca-PDMS聚合物的在循環加載卸載下的力-位移曲線，表現出良好穩定的自修復功能。

圖2 Fe-Hpdca-PDMS聚合物的力學性能
a: 一種合成的典型薄膜拉伸至10,000%前后的照片；
b: 不同Fe(III) :H2pdca-PDMS比值薄膜的應力應變曲線，結果顯示，比值越小，材料的延展塑性越高；
c: 加載速率對合成材料應力應變曲線的影響；
d: 材料的循環應力應變測試，黑線表示第一次加載卸載，接著馬上進行第二次加載卸載（紅線），放置一小時后，再次進行加載卸載（藍線）。

圖3 Fe-Hpdca-PDMS薄膜的自修復功能
a: 損傷及修復樣品的光學照片；
b: 修復樣品拉伸前后的照片；
c: 室溫下修復不同時間的應力應變曲線，結果顯示，時間越長，材料的延展性越好；
d: 不同修復溫度及時間條件下的應力應變曲線對比。

圖4 由Fe-Hpdca-PDMS合成的自修復人造肌肉
a: 自修復彈性體的原始薄膜；
b: 尖頂穿透使材料產生劇烈的機械損傷；
c: 樣品在室溫下修復72小時后的情況，黑色圓圈就是之前造成損傷的位置；
d: 評價修復后的彈性體是否能夠作為介電彈性體驅動器的實驗裝置示意圖；
e, f: 介電彈性體驅動器在施加高壓前后的照片，結果顯示，強烈的電場并沒有在修復的位置造成介電機穿，僅僅產生了3.6%的面積膨脹。

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

感謝材料人編輯部尉谷雨提供素材