上圖充分說明了新材料的自我修復(fù)特性。上半圖的材料中產(chǎn)生裂縫，裂縫嵌入植物葉綠體（淺綠色）的水凝膠（深綠色）。 然后給予光照，材料與空氣中的二氧化碳反應(yīng)發(fā)生膨脹并填充間隙，修復(fù)了裂紋

    圖片來源：麻省理工學(xué)院

    麻省理工學(xué)院化學(xué)工程師設(shè)計(jì)出一種材料，它可以與空氣中二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，然后生長(zhǎng)、自我增強(qiáng)、甚至自我修復(fù)。 這種聚合物可能會(huì)被用作建筑材料或修補(bǔ)材料或保護(hù)涂層，它不斷將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳基材料，從而強(qiáng)化自身。

    目前的新材料是一種合成凝膠狀物質(zhì)，其化學(xué)反應(yīng)過程類似于植物進(jìn)行光合作用生長(zhǎng)的過程。例如，將該材料制成輕質(zhì)面板材料，然后運(yùn)輸?shù)浇ㄖさ兀屗鼈儽┞对诳諝夂完柟庵邪l(fā)生硬化和固化，從而節(jié)省能量和運(yùn)輸成本。

    Michael Strano教授，博士后Seon-Yeong Kwak和其他八位在麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)河濱分校的研究員發(fā)現(xiàn)了這一材料，并將其發(fā)表在《先進(jìn)材料》“Advanced Materials”雜志上。

    化學(xué)工程的Carbon C. Dubbs教授斯特拉諾說：“這是材料科學(xué)中一個(gè)全新的概念，我們所說的碳固碳材料目前應(yīng)該屬于生物領(lǐng)域，因?yàn)樘疾牧现恍枰柟饩湍軌驅(qū)h(huán)境空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為固態(tài)、穩(wěn)定的材料，就像植物一樣。

    研究人員指出，開發(fā)這類碳材料，不僅可以減少化石燃料的使用，還能消耗空氣中的二氧化碳，對(duì)環(huán)境和氣候都有益。斯特拉諾說：”這碳材料可以像樹一樣生長(zhǎng)，從二氧化碳中吸收碳，并將其固化到材料中“。

    研究小組在這些最初的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中確實(shí)使用過了一種生物成分 - 葉綠體，即植物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行光合作用的工廠，研究人員從菠菜葉中獲得葉綠體，剝離后葉綠體并不能存活，而是催化二氧化碳與葡萄糖的反應(yīng)，剝離的葉綠體非常不穩(wěn)定，所以它們?cè)趶闹参镏幸瞥鰩仔r(shí)后就會(huì)死亡。 在論文中，斯特拉諾和他的同事介紹了提高葉綠體催化壽命的提取方法。 Strano解釋說，在目前以及未來的工作中，葉綠體正在被非生物催化劑取代。

    研究人員使用的材料是由氨基丙烯酰胺（APMA）、葡萄糖（一種葡萄糖氧化酶的酶）和葉綠體組成的凝膠基質(zhì)，加入碳時(shí)變得更堅(jiān)硬。 研究人員說，雖然它能起到裂縫填充或涂層材料的作用，但強(qiáng)度還不足以用作建筑材料。

    該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制定了制備此類材料的方法，目前正在研究如何優(yōu)化材料的性能。他們說，短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)自修復(fù)涂層和裂縫填充等商業(yè)應(yīng)用，但如果要應(yīng)用到建筑材料和高強(qiáng)度復(fù)合材料，還需要在材料骨架化學(xué)和材料科學(xué)方面取得進(jìn)一步發(fā)展。

    斯特拉諾說，這種材料最關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，它們可以在陽光下或室內(nèi)照明時(shí)進(jìn)行自我修復(fù)。如果表面被刮傷或破裂，受影響的區(qū)域會(huì)長(zhǎng)大然后填補(bǔ)間隙，達(dá)到修復(fù)損壞的目的而無需任何外部操作。

    研究人員表示，雖然人們已經(jīng)在大力研發(fā)能模仿生物有機(jī)體自我修復(fù)的自我修復(fù)材料，但這些材料都需要額外施加激活能才能發(fā)揮作用，如用加熱，紫外線，機(jī)械應(yīng)力或化學(xué)處理來激活該過程。相比之下，新研發(fā)的材料除了需要環(huán)境光和無處不在的碳之外，其他什么也不需要就能自我修復(fù)，而且結(jié)合了大氣中的碳的質(zhì)量。

    Kwak說：”這種材料最初是一種液體，然后開始生長(zhǎng)并聚集成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的形狀。“

    斯特拉諾說：”材料科學(xué)領(lǐng)域從未產(chǎn)生過這樣的東西，這些材料雖然沒有復(fù)制出生物一樣的功能，但可以模仿生物的某些功能。“ 由于這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)研究開辟了新道路，為了以進(jìn)一步發(fā)展它，美國(guó)能源部正在贊助由斯特拉諾指導(dǎo)的新計(jì)劃。

    斯特拉諾說：”我們的工作表明，二氧化碳不一定純粹是人類的負(fù)擔(dān)和廢棄品，它可以是一種資源，到處都是碳，世界的組成缺少不了碳，人類也是由碳組成的，充分利用我們周圍豐富的碳是材料科學(xué)重要的機(jī)會(huì)。我們不僅要達(dá)到碳中和，也要?jiǎng)?chuàng)造碳負(fù)性。“

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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