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  日前，美國化學學會ACS Nano發表了來自哈爾濱工業大學微系統與微結構制造教育部重點實驗室楊明教授課題組關于超硬耐磨并可自修復涂層的研究成果《一種具有牙釉硬度的表皮狀分層智能涂層》。研究小組設計了一種讓人聯想到人類表皮自我修復功能的涂層，但它卻具有牙釉質般的強度，可用于建筑涂料和生物醫學設備涂層領域。該研究將氧化石墨烯和柔軟自愈的聚合物相結合。

  該研究通過將表皮狀分層結構與氧化石墨烯的機械性能和阻隔性能相結合，克服了實現具有自愈能力的硬質材料的基本困境，并表明這種仿生設計使得具有協同修復效果的智能分層涂層系統的剛度（31.4±1.8GPa）/硬度（2.27±0.09GPa）均達到創紀錄水平，甚至可與牙釉質相媲美。由石墨烯氧化物構成的準線性逐層（layer-by-layer，LBL）膜沉積在多層聚合物的頂部作為保護硬層，形成模仿表皮結構的分層狀態。這一混合多層膜結構在受到破壞后可以實現完全自我修復：柔軟的下層可以提供附加的聚合物來幫助外硬層的恢復。

  雖然這不是第一個打入市場的智能涂料，但市場上的確對效果更好的自修復材料仍然有著巨大需求。

  據項目研究人員楊明教授介紹，目前的自修復材料和涂料往往很軟，磨損很快，由此造成了類似塑料廢物一樣的管理方面的問題。其研究團隊的新設計可以幫助解決這些問題，將軟涂層的彈性與硬涂層的剛性相結合。

   “這種材料是一種效果優異的仿生皮膚，牙釉質雖然堅硬卻不可復原，而這種材料卻可以從內部自發完成自我修復”。

  這種新材料的外部由氧化石墨烯賦予硬度，內部由單寧（鞣酸）和聚乙烯醇（PVA）形成氫鍵動態結構，這與皮膚表皮細胞結構類似，內外各司其職滿足了耐磨并且柔韌的特性。“內部向外部提供聚合物，而外部則成為阻擋聚合物擴散的屏障，但就硬度而言人體皮膚的片狀細胞完全無法與氧化石墨烯相比。”將新材料進行分別測試，內外部結構都沒有自我修復能力，但是將兩者恰當結合到一起之后，這種復合材料就展示出了自愈能力。

  該涂層顯示出能夠同時保護手機屏幕和建筑物的潛在市場應用方向，并且其殺菌性能還可以使其在生物醫學裝置防護方面具有應用價值。

  頂層涂層在韌性上與牙釉質相似，但是硬層和軟層能夠協同工作以產生愈合性能。楊明教授補充說：“這個設計原理可能對任何自愈聚合物系統都有用，我們也試圖將類似的設計原理應用于其他自修復聚合物，尤其是那些已經在市場上銷售的聚合物。”

  楊明預測說，相關技術的原型可以在兩年內準備好，五年或更長時間內有更多的最終應用開發。

  目前階段，該技術仍有不足，涂層需要用水激發完成修復。“室內操作還可以接受，但用于戶外或是電子設備等領域則是不可接受的”，研究小組解釋道。因此，目前正在開展關于光敏或熱敏激發自愈可能性的進一步研究。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b05478