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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、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心游效曾教授研究團(tuán)隊(duì)李承輝副教授在高強(qiáng)度自修復(fù)材料方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以"A Stiff and Healable Polymer Based on Dynamic-Covalent Boroxine Bonds"為題，發(fā)表在國(guó)際著名期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上（2016年7月8日在線發(fā)表，DOI: 10.1002/adma.201602332）。南京大學(xué)博士研究生賴建誠(chéng)為論文第一作者，李承輝副教授、游效曾教授和斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系鮑哲南教授為通訊作者。

自修復(fù)材料是近十幾年來興起的一種新型智能材料。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料損傷的自發(fā)檢測(cè)和修復(fù)，從而可以預(yù)防材料由于產(chǎn)生微觀損傷而存在的潛在破壞，在日常生活中有著重要的應(yīng)用。對(duì)大部分自修復(fù)材料而言，材料的力學(xué)性質(zhì)和自修復(fù)性質(zhì)是難以兼顧的，通常力學(xué)性質(zhì)好（即強(qiáng)度大）的材料很難有自修復(fù)性質(zhì)，而自修復(fù)性質(zhì)好的材料通常都比較軟，缺乏使用價(jià)值。如何通過化學(xué)設(shè)計(jì)得到得到力學(xué)性質(zhì)和自修復(fù)性質(zhì)都比較好的材料是目前自修復(fù)材料研究的重要挑戰(zhàn)之一。

該團(tuán)隊(duì)利用動(dòng)態(tài)硼-氧（B-O）共價(jià)鍵體系設(shè)計(jì)合成了一種高強(qiáng)度的自修復(fù)材料，這一材料可以通過水分子的引入和移除來調(diào)控硼氧六環(huán)（Boroxine）和硼酸（Boronic acid）間的平衡，從而實(shí)現(xiàn)自修復(fù)的目的。利用硼氧六環(huán)（Boroxine）的結(jié)構(gòu)特性，通過與聚合物分子進(jìn)行交聯(lián)，得到三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物。由于共價(jià)鍵的高強(qiáng)度以及高分子材料的低密度性質(zhì)，所得到的自修復(fù)材料具備了強(qiáng)而輕的特性，其楊氏模量高達(dá)近200MPa，并且可以承受自身重量450倍的壓力而不發(fā)生斷裂。

圖1 高強(qiáng)度自修復(fù)材料的結(jié)構(gòu)與承重實(shí)驗(yàn)

值得一提的是，該材料還可用于制造可重復(fù)利用的強(qiáng)力膠。他們通過用這一強(qiáng)力膠粘結(jié)兩塊鋼片，通過剪切拉伸測(cè)試，研究了其粘結(jié)性能。這一類強(qiáng)力膠，在固化24小時(shí)后的粘結(jié)強(qiáng)度高達(dá)7.5±0.4MPa，達(dá)到甚至超過商業(yè)化的101、502等強(qiáng)力膠的級(jí)別；將兩塊鋼片分開再結(jié)合，在70℃下修復(fù)24小時(shí)后，粘結(jié)強(qiáng)度仍然高達(dá)5.7±0.4MPa。更有意義的是，根據(jù)硼-氧鍵的反應(yīng)特性，該強(qiáng)力膠可以在乙醇水溶液的輔助下，使3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高分子降解成小分子量的單體分子，從而可以很輕易的將強(qiáng)力膠進(jìn)行清除，而不留下痕跡。這種可重復(fù)利用的強(qiáng)力膠在日常生活中，以及在可移動(dòng)假肢設(shè)備、轉(zhuǎn)移印花、珠寶首飾、汽車及飛機(jī)組裝等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 可重復(fù)利用的強(qiáng)力膠

該工作得到科技部重大研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省科技廳基金等項(xiàng)目的支持。