設(shè)想某天你和朋友一起外出爬山，山坡上樹木茂盛、荊棘叢生，這給你們的旅途帶來了不小的麻煩。當(dāng)你終于到達(dá)山頂時，你發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)付出了不小的代價：鋒利的樹枝不僅在你的衣服上劃出幾個口子，還在你的身上留下了多處劃痕。好在傷口并不是很嚴(yán)重，只是表皮被劃破，略微有些出血而已，你甚至懶得在傷口處貼上創(chuàng)可貼。幾天之后，皮膚就恢復(fù)正常，再也看不到之前的劃痕了。可是衣服上的破洞依舊那么顯眼。你不禁喃喃自語：要是被劃破的衣服也能像皮膚一樣自動愈合該多好啊。

    確實，雖然科技的進(jìn)步使得我們已經(jīng)可以制造出性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天然材料的合成材料，但在遇到損傷時，生物往往可以主動地將破損處修復(fù)，使得身體在很短時間內(nèi)恢復(fù)正常，而合成材料則只能眼巴巴地等待使用者前來修復(fù)。對于破損的材料，我們已經(jīng)有了許多行之有效的修補手段，就像給衣服上的破洞打補丁一樣，例如金屬可以焊接、塑料可以用粘合劑粘合。然而這樣的修補畢竟費時費力，而且也不是每次修補都能讓材料的外觀和性能完全恢復(fù)到破損前的狀態(tài)。當(dāng)破損不嚴(yán)重的時候，本應(yīng)是修補的最佳時機(jī)，很多人卻會選擇忽略，好比說你總不能因為車身的噴漆出現(xiàn)一點劃痕就把汽車送去修理廠吧？況且很多破損最初形成時只有肉眼難以發(fā)現(xiàn)的幾十微米寬，甚而出現(xiàn)在材料內(nèi)部，這樣的破損使用者根本無法察覺，這就更談不上修理了。

    俗話說：小洞不補，大洞吃苦。破損一旦形成，無論多么微小，都已經(jīng)在原本完好的材料上打開一個缺口。隨后缺口逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致材料分崩離析，失去使用的價值。這個時候我們或許終于下定決心將材料送去修補，但很可能為時已晚；有時在送去修補前，大禍已然釀成。

    正是因為看到了合成材料的這一缺陷，近年來，研究人員提出了“自修復(fù)材料”（self-healingmaterials）的概念。顧名思義，這種材料在出現(xiàn)損傷時，不需要使用者的幫助，或者只需要很少一點干預(yù)，就可以自動將破損處修復(fù)。從而延長材料的壽命，并大大降低使用者的維護(hù)成本。

    那么怎樣才能讓材料具有自修復(fù)的能力呢？讓我們以塑料為例，看看問題的關(guān)鍵在哪里。

    ↓↓↓↓↓↓塑料根據(jù)其結(jié)構(gòu)可以分為熱塑性塑料和熱固性塑料。聚乙烯是典型的熱塑性塑料。無數(shù)的乙烯分子首先通過共價鍵彼此結(jié)合到一起形成線性的聚乙烯分子，分子之間再通過范德瓦耳斯力（相鄰分子極化產(chǎn)生的分子間靜電作用力）維系起來，從而讓聚乙烯具有一定的強(qiáng)度。如果進(jìn)一步把這些線性分子通過共價鍵連接起來形成三維的網(wǎng)絡(luò)，那么就變成了熱固性塑料，環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂便屬于這一類。當(dāng)塑料在外力作用下斷裂時，熱塑性塑料主要是范德瓦耳斯力遭到破壞，使得原本相鄰的分子被拉開，而熱固性塑料則一定是共價鍵遭受了破壞。

    現(xiàn)在我們將裂成兩塊的塑料沿著裂縫重新拼到一起，為什么它們不能重新變?yōu)橐惑w呢？這是因為范德瓦耳斯力只有當(dāng)兩個分子距離足夠近時才會起作用。當(dāng)我們把塑料拼在一起時，看上去裂縫兩邊的材料已經(jīng)相當(dāng)靠近，但如果用顯微鏡觀察，就會發(fā)現(xiàn)兩邊的聚合物分子實際上還離得很遠(yuǎn)呢。同時塑料又處于固態(tài)，裂縫兩邊的分子無法主動改變位置來彼此接近。對于熱固性塑料來說，情況更為糟糕，因為受損的共價鍵往往需要特定的條件才能重新建立起來。因此，受損的塑料無法自動恢復(fù)到原有的性能。

    要想將破損的塑料重新修復(fù)起來，比較好的選擇是使用粘合劑。粘合劑能夠流動，所以其分子們可以和原有的聚合物分子靠得足夠近，重新建立起范德瓦耳斯力。也就是說，粘合劑像橋梁一樣，將隔得很遠(yuǎn)的聚合物分子們重新拉近。隨后，通過特定的物理過程或者化學(xué)反應(yīng)，原本液態(tài)的粘合劑變?yōu)閳杂驳墓虘B(tài)，使得新形成的范德瓦耳斯力的強(qiáng)度大大增加，從而讓材料的性能得到一定程度的恢復(fù)。

    在完好的塑料中，分子之間通過范德瓦耳斯力和共價鍵相互作用（a）；出現(xiàn)破損后，位于裂縫兩側(cè)的塑料分子相距較遠(yuǎn)且缺乏流動性，因此無法使范德瓦耳斯力和共價鍵得到恢復(fù)（b）；粘合劑由于具有良好的流動性，可以與塑料分子有效地建立起范德瓦耳斯力，從而使得受損材料的性能得到一定的恢復(fù)。

    因此，如果想讓塑料在出現(xiàn)損傷時能夠自動將其修復(fù)，一種可行的方法就是讓它“自帶”粘合劑。那么這應(yīng)該如何實現(xiàn)呢？科學(xué)家們從一種常見的辦公用品中找到了靈感。

    來自復(fù)寫紙的啟發(fā)

    雖說隨著打印機(jī)、復(fù)印機(jī)的日漸普及，復(fù)寫紙已經(jīng)不復(fù)往日的風(fēng)光，不過有些時候我們還是會用到它。例如去郵局或者快遞公司寄送包裹時，工作人員會拿出一式三份的復(fù)寫式單據(jù)讓我們填寫。當(dāng)我們填寫好最上層的單據(jù)后，同樣的內(nèi)容便被復(fù)制到下面兩張單據(jù)上。

    這樣的復(fù)寫紙被稱為無碳復(fù)寫紙（區(qū)別于過去常見的碳式復(fù)寫紙）。它的基本原理是在上方紙張的背面涂上一層特殊的染料。這種染料本身沒有顏色，但是遇到涂在下面那張紙正面的顯色劑后，就會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成有顏色的物質(zhì)。所以這種復(fù)寫紙看上去與普通紙張并沒有什么區(qū)別，但在使用者用力書寫時，隨著染料和顯色劑相接觸，同樣的內(nèi)容就會出現(xiàn)在下面的紙上。如果要想同時完成兩份復(fù)寫也很簡單，只需要在上下兩張紙之間再加入一張正面涂有顯色劑、背面涂有染料的紙就可以了。

    不過問題隨之而來：在正式使用前，無碳復(fù)寫紙上下兩張紙也有可能發(fā)生接觸，導(dǎo)致染料顯色，使得無碳復(fù)寫紙無法正常使用。為何實際上不會發(fā)生這種情況呢？其實，無碳復(fù)寫紙背面的染料并不是直接涂在紙上，而是被聚合物包裹起來，形成直徑在幾微米到幾十微米之間的小球，這樣的小球稱為微囊（microcapsule）。微囊的聚合物外殼能夠?qū)Π渲械奈镔|(zhì)提供一定程度的保護(hù)。但如果稍微用力，這層外殼就會破裂，封閉在其內(nèi)部的物質(zhì)便會釋放出來。微囊的“雙重身份”保證了無碳復(fù)寫紙上的染料和顯色劑只有在使用時才會互相接觸，從而得到了良好的復(fù)寫效果。而這種非常實用的技術(shù)也引起了研究自修復(fù)材料的科學(xué)家們的注意。

    無碳復(fù)寫紙的基本原理：當(dāng)使用者用力書寫時，微囊的外殼破裂，包裹在其中的染料被釋放出來，遇到顯色劑后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生顏色，從而完成復(fù)寫。

    包在微囊里的“膠水”

    2001 年，來自美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納- 尚佩恩分校的研究人員在實驗室里制備了一批特殊的環(huán)氧樹脂樣品。普通的環(huán)氧樹脂的制備通常是將室溫下均為液態(tài)的環(huán)氧樹脂預(yù)聚物和固化劑混合，讓二者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變成堅硬的固體。而此次研究人員還添加了另外兩樣原料：一種包裹了雙環(huán)戊二烯的微囊以及另一種名為格拉布催化劑的化合物。

    接下來，研究人員做了一個實驗：他們首先通過外力在這塊環(huán)氧樹脂中制造出微小的裂縫，然后過48 小時之后再去用力拉伸這塊樣品。如果是普通的環(huán)氧樹脂，只要稍微用力一拉，樣品就會沿著裂縫斷成兩截。但是，這些特殊的環(huán)氧樹脂卻需要很大的力量才能拉斷，好像從來沒有裂縫一樣。也就是說，在這48小時的時間里，塑料自己將裂縫修復(fù)了。這種神奇的自修復(fù)能力從何而來？

    原來，雙環(huán)戊二烯在溫度略高于室溫時是可以自由流動的液體（熔點33℃），然而一旦遇到格拉布催化劑，就會在后者催化下迅速發(fā)生聚合反應(yīng)，變成堅硬的固體——聚雙環(huán)戊二烯。當(dāng)雙環(huán)戊二烯被包裹在微囊中時，由于微囊外壁阻隔了與催化劑的接觸，反應(yīng)自然無從發(fā)生。但當(dāng)環(huán)氧樹脂在外力作用下受損時，情況就不一樣了。外力在將環(huán)氧樹脂內(nèi)部撕開裂縫的同時，還打破了微囊薄薄的外壁，使得原本包裹其中的雙環(huán)戊二烯流出并填滿縫隙。隨后，在格拉布催化劑的作用下，填充進(jìn)裂縫的雙環(huán)戊二烯變成聚合物，將裂縫兩側(cè)的塑料牢牢連接起來。也就是說，不需要我們進(jìn)行干預(yù)，這些包裹在微囊中的“膠水”就已經(jīng)主動將裂縫修補好了。實驗表明，這種特殊的塑料在受損后，其機(jī)械性能可以恢復(fù)到初始值的70% 左右。

    利用微囊實現(xiàn)自修復(fù)材料的原理：裂縫出現(xiàn)（a），膠囊破裂后事先封裝在內(nèi)部的液體釋放出來填充裂縫（b），隨后在催化劑作用下固化，從而將裂縫修補（c）。

    這項研究讓科學(xué)家們深受啟發(fā)：只要設(shè)法將粘合劑包裹在微囊中，就能實現(xiàn)塑料材料的自修復(fù)。隨后，研究人員們對這一類自修復(fù)材料進(jìn)行了優(yōu)化。例如最初應(yīng)用于自修復(fù)材料的格拉布催化劑存在著穩(wěn)定性差等缺陷，于是改用硅酮等代替。最終成功開發(fā)出了具有自修復(fù)能力的涂料。如果把這種涂料用于汽車的表層噴漆，或許就不必?fù)?dān)心汽車表面被刮花了。

    普通的涂層在出現(xiàn)破損后無法自動修復(fù)，因此保護(hù)能力下降，覆蓋在其下方的鋼板很快出現(xiàn)銹蝕（a、c）。基于微囊的自修復(fù)涂料在出現(xiàn)破損后能夠自動將破損處修復(fù)，因此保護(hù)能力未受影響（b、d）。

    不過這種自修復(fù)材料的缺點也很明顯，那就是自修復(fù)能力有限。而原因也很簡單：沒有那么多的“膠水”。例如在2001 年那項研究中，微囊的含量只占到環(huán)氧樹脂總重的10%，如果微囊加得太多，由于“干貨”少了，環(huán)氧樹脂的機(jī)械性能反而會下降。當(dāng)裂縫第一次出現(xiàn)在環(huán)氧樹脂內(nèi)部時，裂縫發(fā)生處的微囊會被消耗掉以修補裂縫。但如果過了一段時間裂縫又剛好出現(xiàn)在這個地方，很可能就不會再有足夠的微囊提供自修復(fù)能力，也就是說自修復(fù)能力耗竭了。

    為什么人工合成的自修復(fù)材料只能體現(xiàn)出極為有限的自修復(fù)能力，而各種生物卻可以近乎無限地修復(fù)自身的損傷呢？一個根本的區(qū)別在于動植物體內(nèi)具有復(fù)雜的輸送網(wǎng)絡(luò)，不管哪里受損，都可以把營養(yǎng)物質(zhì)通過網(wǎng)絡(luò)輸送到受傷處，從而完成組織修復(fù)的過程。相反，在人工合成的自修復(fù)材料中，用于修復(fù)裂縫的材料被儲存在一個個孤立的微囊里，缺乏互相溝通支援的能力。因此很容易被“各個擊破”。

    那么我們能否模仿生物的結(jié)構(gòu)，用彼此聯(lián)通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)取代分散的微囊呢？實驗表明，使用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確實可以讓材料自修復(fù)能力更加持久。然而構(gòu)建這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)并非易事，因此這樣的自修復(fù)材料往往成本較高，很難被廣泛應(yīng)用。面對這一難題，那我們干脆換個思路吧，能否不用微囊就實現(xiàn)材料的自修復(fù)呢？

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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