在智能設(shè)備普及的今天，大屏已成為主流趨勢(shì)。雖然大屏智能設(shè)備能給我們帶來(lái)很好的體驗(yàn)，但是屏幕磨損與碎裂的幾率也隨之增加。遇到這種情況，人們多會(huì)選擇拿去修理或更換手機(jī)。不過(guò)，科技的進(jìn)步將為人們提供更多選擇。

    近日，加州大學(xué)河濱分校的化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新型的可自動(dòng)治愈材料。經(jīng)過(guò)測(cè)試，這種材料能夠借助延展性和粘合力對(duì)切口和劃痕起到良好的修復(fù)作用，此種材料的特性使之可在未來(lái)被應(yīng)用于手機(jī)屏幕及電池的修復(fù)方面，預(yù)計(jì)將于2020年被應(yīng)用于消費(fèi)級(jí)電子設(shè)備中。

    自我修復(fù)材料一直是科技界研究和找尋的重點(diǎn)，除了電子設(shè)備的修復(fù)之外，自我修復(fù)材料還可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍事及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。這種有趣又強(qiáng)悍的材料能夠?yàn)榭萍嫉倪M(jìn)一步發(fā)展提供極大的助力，雖然自我修復(fù)材料距離真正的應(yīng)用似乎尚有距離，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的廣泛應(yīng)用可能性極大。

    一、自我修復(fù)材料研究成果頗豐，種類(lèi)各異修復(fù)方法繁多

    自我修復(fù)材料，顧名思義，即物體受損時(shí)能進(jìn)行自我修復(fù)的新型材料。這種材料被注入塑料聚合物中，當(dāng)物體開(kāi)裂，注入材料釋放，可對(duì)受損物體的表面進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)。關(guān)于自我修復(fù)材料的設(shè)想最早可上溯至20世紀(jì)60年代，不過(guò)，自我修復(fù)材料在技術(shù)上出現(xiàn)真正的進(jìn)展與突破是在進(jìn)入21世紀(jì)之后。

    最早研制成功的時(shí)間是2001年，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的Scott White帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)研制了一種由許多微型膠囊構(gòu)成的、類(lèi)似于塑料的自我修復(fù)材料。他們?cè)谒芰现屑尤肴嗽鞂?dǎo)管系統(tǒng)，并在“血管”中注入可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液體。如此一來(lái)，一旦某處出現(xiàn)裂痕，這些液體即可混合，像血小板一樣釋放修復(fù)作用的試劑，裂痕得以修復(fù)，材料重新聚合。

    值得注意的是，“光”在這項(xiàng)技術(shù)中可能起到至關(guān)重要的作用。對(duì)此，英國(guó)布里斯托大學(xué)的教授認(rèn)為：“當(dāng)你的手機(jī)屏幕受到劃傷時(shí)，你可以將手機(jī)放置在窗口的陽(yáng)光下，24個(gè)小時(shí)后手機(jī)上的劃痕就可能已經(jīng)自我修復(fù)了”。也就是說(shuō)，如果這項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于實(shí)際，以后手機(jī)屏幕再有損傷，就可以不必送到手機(jī)店去修復(fù)， 只要讓它曬曬太陽(yáng)即可痊愈。

    此技術(shù)目前被制作成涂層，用于橋梁及直升機(jī)旋翼的護(hù)理，用以避免惡劣環(huán)境的侵害，自我修復(fù)材料由此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

    在消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品上，自我修復(fù)材料其實(shí)早有應(yīng)用。

    2013年，LG 推出G Flex，其后殼加入self-healing（自我修復(fù)涂層），可自主修復(fù)劃痕。self-healing的概念來(lái)源于仿生，其原理是仿照生物體的自愈能力。然而，生物體本身的自愈能力有限，并非能夠全部自愈。

    最重要的是，生物體是可以進(jìn)食或進(jìn)行光合作用的，有能量的輸入。而材料就沒(méi)這種功能了，當(dāng)然它們也能向上文提到的那樣吸收光能或熱能，但依然是相對(duì)封閉的系統(tǒng)。因此從理論上來(lái)講，自我修復(fù)材料想達(dá)到類(lèi)似生物體的自愈能力，是極為困難的。

    不過(guò)，科學(xué)賦予人類(lèi)的智慧往往能打破常規(guī)，提供更多可能性。除了仿生，自我修復(fù)材料還有許多設(shè)計(jì)方法，其中有兩種最為典型。

    第一，多層結(jié)構(gòu)。使用高彈性聚合物，一旦受到外力，材料能夠以變形的方式消耗外沖能量，過(guò)段時(shí)間即可回復(fù)原樣。還可以在幾層涂層系統(tǒng)中保留一層小分子，當(dāng)涂層受外力破裂時(shí)，小分子可聚攏在劃痕處參與反應(yīng)，起到修復(fù)作用。

    第二，微膠囊。用聚合物包住小分子有機(jī)物，將微膠囊均勻混合于涂料中，當(dāng)涂層受外力作用，應(yīng)力分布不均時(shí)，會(huì)在高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生微裂紋，裂紋擴(kuò)展至膠囊附近將其戳破，小分子即可起到修復(fù)作用。

    此外，還有一種可逆反應(yīng)，其原理近似于多層結(jié)構(gòu)，靠氫鍵斷裂吸收能量，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)原。

    自我修復(fù)材料為人類(lèi)提供了無(wú)限的可能性，可在醫(yī)療、航空航天、軍事器械制造、可穿戴設(shè)備等多領(lǐng)域加以應(yīng)用。然而，任何的可修復(fù)材料都存有一定的缺陷。通常像這樣的新興材料距離商用都很遙遠(yuǎn)，但科技的發(fā)展和新的研究成果似乎縮短了自我修復(fù)材料與商用的距離。

    二、尚存缺陷但研究進(jìn)程迅速，自修復(fù)材料商用可期

    就目前的自我修復(fù)材料情況而言，缺陷還是比較明顯的。

    高彈性聚合物，就算彈性再好，也有承受不住的時(shí)候，若是體材料還能好一些，若是涂層，其消耗能量有限，難以承受過(guò)大的壓力。

    微膠囊與高彈聚合物同理，hold不住過(guò)大外力。此外涂料里能夠添加的微膠囊數(shù)量有限，并且破裂過(guò)程不可逆。如果相同的位置第二次出現(xiàn)破裂，微膠囊已用盡，就失去了再度自我修復(fù)的能力。

    至于氫鍵，其本身體量小，在聚合物里也不會(huì)太大，扛不住沖擊就會(huì)破壞化學(xué)鍵，其反應(yīng)的可逆程度幾乎可以忽略了。

    由此看來(lái)，自我修復(fù)材料距離真正商用似乎還很遙遠(yuǎn)，當(dāng)然，這也是多數(shù)新型材料論述文章的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)局。但對(duì)于自我修復(fù)材料來(lái)說(shuō)，事情似乎并未就此而止。

    上文提到的加州大學(xué)發(fā)現(xiàn)的新材料，可以說(shuō)是可自愈材料領(lǐng)域的一大進(jìn)步。與以往材料的不同之處在于，這種新材料延展性極強(qiáng)，可拉伸至原尺寸的50倍。新材料由可延展聚合物與離子鹽組成，具備一種特殊的粘合力，這種力存于帶電離子與極性分子之間，被稱(chēng)為離子偶極相互作用。

    研究人員對(duì)這種材料進(jìn)行修復(fù)劃痕和切口的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它們只用24小時(shí)就能重新對(duì)接，這是因?yàn)椴牧现械臉O性分子和帶電離子相互吸引，也意味著能夠?qū)щ姷淖孕迯?fù)材料首次被研制成功。

    這對(duì)于電子設(shè)備的修復(fù)是非常重要的突破。電子設(shè)備屏幕下方通常有一個(gè)電極網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)我們觸碰屏幕之時(shí)，手指與它們形成完整的電路，從而實(shí)現(xiàn)操作。然而以前的自修復(fù)材料都不導(dǎo)電，不能用于電子設(shè)備屏幕的生產(chǎn)。

    因此，這種材料的研制成功能使電子產(chǎn)品的屏幕和電池在自我修復(fù)方面跨出一大步。研究人員預(yù)測(cè)，此種材料將在2020年應(yīng)用于手機(jī)屏及電池的生產(chǎn)之中。領(lǐng)導(dǎo)這一團(tuán)隊(duì)的化學(xué)家Chao Wang認(rèn)為：

    “會(huì)有很多自修復(fù)產(chǎn)品在未來(lái)的3年內(nèi)問(wèn)世，它們將改變我們的日常生活，它們會(huì)讓我們的手機(jī)獲得更優(yōu)的性能。”

    除了電子設(shè)備，自修復(fù)材料在可穿戴設(shè)備中也將發(fā)揮極大的作用。

    目前可穿戴設(shè)備的物理材料所存在的最大問(wèn)題，是在柔韌性和可塑性方面受到諸多限制。假如有一種柔性材料損壞，就徹底報(bào)廢，就算能繼續(xù)使用，效果也不盡如人意。不僅是可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，醫(yī)療、體育科技、電子產(chǎn)品領(lǐng)域皆存在這一問(wèn)題。

    針對(duì)這一問(wèn)題，賓夕法尼亞州立大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在去年5月研制出一種適用于可穿戴設(shè)備的全新自愈柔性材料。在這項(xiàng)研究中，所面臨的難點(diǎn)是需要確保設(shè)備自愈后仍具有原本的功能。比如手環(huán)如果失去散熱能力，用起來(lái)就會(huì)發(fā)燙，就算外表?yè)p傷能夠自愈，一個(gè)發(fā)燙的手環(huán)也和壞掉沒(méi)什么區(qū)別。

    基于此，團(tuán)隊(duì)對(duì)材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及機(jī)械性等多項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了測(cè)試。在這一過(guò)程中，新材料被高溫和剪切等方式分為兩部分，但仍能夠 “痊愈”，哪怕是在承重200克斷裂之后。并且此種材料不受溫度及濕度影響，在高溫或潮濕的環(huán)境之下仍能發(fā)揮功能。如此一來(lái)，穿戴這些設(shè)備運(yùn)動(dòng)或旅行，也不必?fù)?dān)心損壞。

    這樣的特性使得這種材料不僅能應(yīng)用于可穿戴設(shè)備之中，還能在更加廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮出更大的作用。不過(guò)這項(xiàng)研究仍在繼續(xù)：“下一步我們還需要提高絕緣性來(lái)對(duì)內(nèi)部的微電子電路進(jìn)行保護(hù)”，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Qing Wang教授如是說(shuō)。

    自我修復(fù)材料如能實(shí)現(xiàn)商用，將會(huì)對(duì)許多領(lǐng)域的發(fā)展起到推助作用。

    想象一下，自修復(fù)材料大規(guī)模商用以后，可能會(huì)出現(xiàn)一些科幻般的場(chǎng)景：

    汽車(chē)劃痕能自我修復(fù)，無(wú)需再次噴漆，也無(wú)需織補(bǔ)沙發(fā)座椅；飛機(jī)、火車(chē)、汽車(chē)等交通工具的零件能夠像人體細(xì)胞那樣自我修復(fù)和更新，永不磨損永不生銹，乘坐永遠(yuǎn)安全，能有效降低交通事故發(fā)生的幾率；橋梁、河堤、路面能夠自我翻新，不會(huì)老舊；電子設(shè)備的各種零件能夠自我修復(fù)，延長(zhǎng)使用壽命。

    按照自修復(fù)材料領(lǐng)域的發(fā)展情況來(lái)看，自修復(fù)材料有望在幾年之后逐漸實(shí)現(xiàn)商用。不可否認(rèn)，自修復(fù)材料仍存在問(wèn)題和改進(jìn)的空間，但這些問(wèn)題都有望被破解，自修復(fù)材料在幾年之內(nèi)應(yīng)用于實(shí)際的場(chǎng)景是可以期待的。

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責(zé)任編輯：邢云輝

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