还记得动画片《海贼王》里橡胶人路飞可长可短、伸缩自如的肌肉吗？为了实现这种效果，科学家开始研究具有自修复功能的智能材料。

自修复材料是近十几年来兴起的一种新型智能材料。它可以实现材料对自身裂纹的检测并自发完成对材料的修复，从而可以预防材料由于产生裂纹而存在的潜在破坏，在航天、军工、桥梁、建筑以及工程等领域中有着重要应用。传统材料为了追求高强度及柔韧性，通常都是由不可逆的共价键构筑而成的。这种共价键在断裂之后无法再重建，因此传统材料受损后很难修复。

目前，用于自修复材料的可逆化学键主要有两类。一类是可逆动态共价键，例如共轭双烯与烯烃或炔烃之间可逆的Diels-Alder反应，双硫键可逆的氧化还原反应等。另一类是非共价键相互作用，例如氢键、静电吸引、疏水作用、π-π堆积等分子间弱相互作用。这两种途径各有优缺点。

南京大学化学化工学院副教授李承辉与美国斯坦福大学化学工程教授鲍哲楠合作，日前研发出一种弹性超强、可自修复且能通过电压控制动作的新材料，向研制智能化的人工肌肉迈出重要一步。相关研究成果发表在18日的《自然—化学》期刊上。

据斯坦福大学官网报道，这种新材料可以由1英寸被拉伸到100英寸以上。它还具有很强的自修复能力。一般情况下，被破坏的聚合物需要通过溶剂修复或热修复来恢复特性，但是这种新材料可在室温甚至低温条件下进行自修复。研究人员发现，它在零下20摄氏度的条件下也能自行修复。

新材料的这些性能归功于一种叫做交联的化学键合工艺，该工艺需要将线型的分子链连接成渔网状。他们首先设计出一种特殊的有机分子，将其附着在聚合物的交联键上来形成一系列叫做配体的结构。这些配体结合起来形成了更长的分子链。这种链就像一串弹簧一样，具有很强的延展性。之后，他们给这种材料添加了对配体具有化学亲和力的金属离子。当这种材料被拉伸时，分子链上的“结”会松开并使配体分离。而当这种材料被松开时，金属离子与配体之间的亲和性会使“渔网”恢复原状。其结果就得到柔韧、延展性强且可以自修复的弹性材料。

图1 高弹性自修复材料

图2 自修复人工肌肉器件

值得一提的是，该材料还可用于制造人工肌肉。科学家们一般尝试通过气动驱动器、形状记忆合金等多种方法制造人工肌肉后，近年来人们开始关注一种基于电活性聚合物的人工肌肉。电活性聚合物是指能够在电流或电压作用下产生物理形变的聚合物，因而能将电能转化为机械能。基于电活性聚合物的人工肌肉具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点，被公认为最具发展潜力。利用本研究中的自修复材料所制备出的人工肌肉器件，能够随着电压变化不断膨胀与收缩，因此其动作可以通过外部电压来控制。而且，该人工肌肉受损后可自动修复，修复后的器件仍然可承受与修复前同样高的电压。该研究为人工肌肉走向智能化又迈出了重要的一步。

文章链接：

Chenghui Li, et al. "A highly stretchable autonomous self-healing elastomer," Nature Chemistry (2016),  doi:10.1038/nchem.2492 

李承辉副教授简介：

南京大学化学化工学院副教授，Email：chli@nju.edu.cn

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研究方向：功能配合物；动态配位化学；基于配位键的智能材料（自修复材料、形状记忆材料等）

（本文信息来源：南京大学网站）

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