6月10日，南京理工大学的傅佳骏教授、本课题组的傅强教授和吴凯副研究员在Cell Press旗下期刊Matter发表了题为“Dragonfly Wing-Inspired Architecture Makes a Stiff yet Tough Healable Material”的研究论文。该研究通过模仿蜻蜓翅膀微结构，在硬而脆的可修复聚合物基体中植入三维互联的仿蜻蜓翅膀微结构骨架，解决了刚性可修复材料脆性断裂的问题。同时，该研究制备的仿生复合材料还具有快速的光控可修复性能、优异的热稳定性以及良好的电磁屏蔽能力，是一种多功能集成的坚韧复合材料，具有广阔的应用前景。近日，Cell Press编辑部对课题组傅强教授和吴凯副研究员进行了独家的采访和报道。

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      受到生物体能够自主修复自身结构、性能和特定功能的启发，研究人员开发出了一系列基于超分子相互作用（如氢键、配位键、离子键等）的本征自/可修复聚合物材料。由于非共价相互作用在分子层面能够可逆地断裂结合，该类材料不仅具有理论上无限次的修复能力，而且其还能修复原有的功能，如导电、传感、抗腐蚀等。近年来，研究人员专注于开发具有高强度、高模量的可修复材料，这类材料在智能建筑、航空航天、汽车工业等高科技领域具有广阔的应用前景。然而，目前报道的基于超分子相互作用的刚性可修复材料都表现出脆性断裂的特征。简而言之，这类材料的断裂韧性很低，导致材料在使用过程中出现灾难性的断裂，从而引发严重的安全事故。因此，赋予这类材料一定的修复能力也变得没有意义。

      蜻蜓翅膀具有从微纳尺度到宏观尺度的独特分级结构，这种分级结构完美地赋予了其卓越的力学性能。例如，蜻蜓翅膀中刚性的翅脉能够抵抗机械变形，从而给翅膀提供所需的强度和刚度，而嵌入翅脉中的翅膜则能够有效的分散外界作用力，所以翅膜和翅脉组合而成的连通型混合网络结构具有协同增强作用。研究证实，蜻蜓的翅膀是轻量化的，其比强度和比刚度高于商用航空铝合金。而同时，由于蜻蜓翅膀具有高度规则的分级结构和特殊的止裂效果，它还具有优异的韧性、承载能力和抗疲劳能力，这也给翅膀提供了保护作用，防止空气摩擦使蜻蜓翅膀折断。

      鉴于此，南京理工大学的傅佳骏教授、四川大学的傅强教授和吴凯副研究员通过定构加工的思路，在硬而脆的可修复聚合物基体中植入三维互联的仿蜻蜓翅膀微结构骨架，解决了刚性可修复材料脆性断裂的问题。与初始的材料相比，制备的仿生复合材料的综合力学性能有了显著提升；其刚度提高了3.8倍，强度提高了25.0倍，应变提高了7.9倍，断裂韧性则提高了54.3倍。此外，制备的仿生复合材料还具有快速的光控可修复性能、优异的热稳定性以及良好的电磁屏蔽能力，是一种多功能集成的坚韧复合材料，具有广阔的应用前景。

图：(A) 蜻蜓翅膀的实物图以及光学显微镜图片；(B) 仿蜻蜓翅膀微结构的复合材料的制备流程示意图；(C) 可修复聚合物和MXene纳米片的界面相互作用解析；(D-E) 仿生复合材料的内部微观结构表征；(F-G) XPS解析可修复聚合物和MXene纳米片间的界面氢键作用

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请论文通讯作者南京理工大学傅佳骏教授、四川大学高分子学院傅强教授及四川大学高分子学院吴凯副研究员接受了专访，请他围绕该研究进行进一步详细解读。

CellPress：

本文中，作者受蜻蜓翅膀微观结构的启发，基于自下而上的组装方法，设计了一种三维互连结构，从而提高了材料的断裂韧性和弯曲强度。请问团队最初是如何想到此策略的？在探索过程中，又发现了哪些有意义的现象？

傅佳骏教授、傅强教授、吴凯副研究员：

在建筑学领域，有很多模仿蜻蜓翅膀微观结构的例子，典型的就是北京鸟巢体育馆互相连通的钢架结构，其能够提供强大稳定性以及支撑力。鉴于此，我们在研究时就考虑将上述结构引入在脆性的可修复聚合物基体中，从而改变材料的断裂方式，将其变为韧性断裂材料。然而，在脆性的超分子聚合物基体中植入刚性的三维互联骨架来实现增强增韧的效果是一项巨大的挑战。当时，结合四川大学傅强老师在高分子成型加工领域的研究经验，我们就想到了复合材料定构加工的策略，首先将聚合物磨成均匀的微颗粒，然后在其表面包覆功能纳米片，最后再一体化热压成型，就成功的将仿蜻蜓翅膀微结构引入到了聚合物基体中，解决了刚性可修复材料脆性断裂的问题。在探索的过程中，我们还发现基于MXene纳米片的仿生微观结构与无序的结构相比，其更有助近红外光和热量的传导过程，从而赋予了对应的复合材料快速的光控修复性能。此外，与原始的可修复材料相比，复合材料的热稳定也得到了提升，同时还具有可修复的电磁屏蔽功能。总的来说，在聚合物网络中植入仿生微结构后，我们得到了一种多功能集成的人造材料。

CellPress：

请您简要介绍一下，目前用以提高材料断裂韧性的主要方法。

傅佳骏教授、傅强教授、吴凯副研究员：

我们认为，目前用以提高材料断裂韧性的方法主要有以下四种。一是聚合物化学分子结构的设计，即在聚合物网络引入多层级的分子间相互作用（强弱键共存）；在材料受力或变形过程，弱键的断裂能够有效耗散外界作用能，从而提高聚合物的断裂韧性。二是加入橡胶等韧性非常好的聚合物进行共混改性。三是加入一些刚性粒子，如碳酸钙等，通过调控刚性粒子的表面特性与临界含量实现刚性粒子的增强增韧。四就是设计仿生结构，如贝壳结构、蜻蜓结构等，向自然学习，获得增强增韧的新材料。

CellPress：

本文所研制的SPM纳米复合材料具有受热自愈能力，可通过直接加热或者光刺激来为全部或局部区域提供能量，修复机械损伤。请您简述一下其中的机制，并预测一下这类功能性材料未来的发展方向。

傅佳骏教授、傅强教授、吴凯副研究员：

SPM材料修复的核心概念是，其刚性超的分子交联组装体在室温下动态性差，而在适当的热刺激下，可显著降低分子量，从而增强链的流动性并促进裂纹的修复。对于制备的SPM纳米复合材料而言，其聚合物网络内部连续的MXene骨架结构具有近红外响应功能，并且三维互联的MXene也赋予了复合材料极好的热传导能力。在近红外光照射下，SPM纳米复合材料能够快速产生热量，并使热量沿着MXene的骨架扩展开，从而使复合材料更快地修复机械损伤。这类光控修复的功能材料可实现远程操控的修复功能，比加热修复的材料更具实际应用价值。在未来的发展过程中，这类功能性的可修复材料在智能建筑、航空航天、汽车工业等领域有广泛的应用价值。

CellPress：

近年来很多研究都在探索将仿生学应用于新材料的开发使用。您如何看待仿生学对于新材料领域发展的启发和助力？从仿生学到新材料的研发、产业化，一般要经历怎样的过程？其中需要克服哪些难点？

傅佳骏教授、傅强教授、吴凯副研究员：

大自然给我们材料学研究人员很多灵感和启发：例如，研究人员通过贝壳的多层结构，设计了许多强度和韧性极好的结构材料；针叶状树干的径向取向纹路，启发了研究人员在聚合物材料中构筑能够快速传质或传热的高速通道；受壁虎攀岩走壁能力的启发，研究人员通过模仿壁虎脚趾上的微结构，设计了许多具有强力黏附功能的新材料。然而，将仿生材料从实验室研发带到我们的日常生活中，还面临着非常大的挑战。首先，材料的制作成本是一个非常重要的考虑因素，组成仿生材料的各个部分之间往往需要具有特定的化学界面，所以在原材料的合成制备方面需要复杂的实验步骤，这都会显著增加材料成本。此外，仿生材料最独特的就是其美丽的微观几何结构，而工业生产上我们常用到的材料成型加工方法（如双螺杆挤出、注塑成型等）很难做到这一点。因此，仿生材料的规模化制备也是限制其能否产业化的关键因素。近几年，随着3D打印、微流控纺丝等技术的开发，材料学家在聚合物熔融成型或溶液加工的时候，已经能够非常好的控制材料的微观结构了。相信假以时日，待这些技术完全成熟并大规模被推广后，仿生材料的成型加工不会是难事，仿生材料也会逐渐地走入我们的日常生活中。

▌论文标题：

Dragonfly Wing-Inspired Architecture Makes a Stiff yet Tough Healable Material

▌论文网址：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00220-4

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.05.001

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