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Materials

自愈合材料证实了弱范德华力的强大

两种常见单体构成的新型共聚物,在出现划痕和切口时,无需干预便可实现自修复

by Bethany Halford
October 11, 2018 | APPEARED IN VOLUME 96, ISSUE 41

 

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Credit: Courtesy of Marek Urban
一种由范德华力的弱偶极相互作用驱动的共聚物自愈机制。

化学家们使用丙烯酸涂料中的一种常用单体,研发出一种自愈合聚合物,该材料通过范德华力(弱键中最弱的作用力)进行自愈合。因该新材料在无外界干预下可对划痕和小切口进行自愈合,故可用于制造“长寿命”的涂料和更硬质的塑料制品。

这一新材料是由甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯混合制成的共聚物。“该共聚物的分子排列和组成对自愈合至关重要”,主持这一研究的美国克莱姆森大学(Clemson University )的高分子化学家Marek Urban说。范德华力是由瞬时偶极造成分子间的引力和斥力,在聚合物的愈合过程中,范德华力将其组成成份相互交叉,就好似相扣双手中交叉的手指一样,从而实现愈合。为实现上述作用,聚合物中的两种单体须交替出现且比例均等。(Science 2018,DOI: 10.1126/science.aat2975)。

Credit: Courtesy of Marek Urban
本剪接视频展示了该共聚物14小时的自愈过程。

该共聚物弥合划痕需要14个小时,修复切口需要80个小时。 Urban承认,与其他自愈聚合物(如,借助紫外线光照便可进行即刻自愈的材料)相比,该聚合物所用修复时间较长。他表示,这是速度和成本的折中,多数自愈聚合物需要昂贵的添加剂,而这一聚合物则由成本低廉、易于获得的单体所制成。

Urban介绍说,大概八年前他的研究团队第一次研发自愈聚合物,但他们花费了很长时间才确认材料的自愈合能力是范德华力作用的结果。 “测量这些微弱的范德华力并不容易。”他说。

与氢键相比,范德华力是弱小的,因为氢键比范德华力强20多倍。但当范德华力聚集在一个聚合物内且按同一方向排列时,便可累积足够大的力量使材料进行自修复,Urban说。

“范德华力的使用,与超分子和动态共价相互作用相反,对于自愈聚合物的设计而言是令人兴奋的,因为范德华力无处不在、非常普遍。” 美国加利福尼亚大学欧文(University of California, Irvine)分校的自愈聚合物专家管志斌说,他未参与该研究。在他看来,如果证明该方法可适用于其他聚合物,那么化学产业界便可实现大规模生产,“这将对为社会开发耐用聚合材料的发展做出巨大的贡献。”他补充道。

Urban 持有该共聚物的专利,他计划观察其在真实环境中的状况。此外,他还想借范德华作用,使用其他常见单体制造自愈聚合物,例如酯(ester)、苯乙烯(styrene)、 聚氨酯(urethane)。 “理念是现成的,只需要调整下组合。”他说。.

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