《Nature Chem.》：鲍哲南携手母校开发可自愈人造“肌肉”

在材料科学领域，斯坦福大学的华裔女科学家鲍哲南（Zhenan Bao）无疑是一颗耀眼的明星。2015年，她入选《Nature》评选的十大年度人物。2016年2月，当选美国工程院（National Academy of Engineering）院士。X-MOL曾经报道过鲍哲南团队在人造皮肤研究上的重大进展，对于人类皮肤移植术以及假肢感知力的改进有很大帮助（相关资讯：材料名家鲍哲南：能给神经传导触觉的人工皮肤）。

如今，鲍哲南教授与母校南京大学等单位合作开发出一种新的高弹性自修复弹性体材料，称为Fe-Hpdca-PDMS，具有自愈功能，向着制造智能化人造肌肉迈出了重要一步。这项研究发表于《Nature Chemistry》，南京大学李承辉（Cheng-Hui Li）副教授和斯坦福大学的Chao Wang为论文并列第一作者。（A highly stretchable autonomous self-healing elastomer. Nature Chem., DOI: 10.1038/nchem.2492）

人造肌肉的概念可以追溯到几十年前，研究者们研究过很多不同的原料，从原子厚的碳纳米管到陶瓷，再到金属合金。2000年，科学家们发现一些橡胶状高分子（弹性体）在施加电压后能够可逆地拉伸至原来长度的三倍（Science, 2000, 287, 836-839）。然而，像几乎所有的合成材料一样，这些弹性体一旦受损，必定需要外界的修复。自修复材料是近十几年来兴起的一种新型智能材料，可以实现材料对自身裂纹的检测并自发完成修复，但基于弹性体的自修复材料，大部分韧性和弹性都较差，很难称之为人造“肌肉”。

配位作用通常被认为是超分子化学中最强的超分子间相互作用之一。通过选择合适的配体和金属，可以得到合适强度的配位键（小于共价键但强于非共价相互作用），这种配位键还可具有物理可逆性或化学可逆性，是构筑自修复材料的理想选择。

鲍哲南教授和她的同事们开发的这种高弹性自修复材料，包含Fe(III)配位络合物交联的聚（二甲基硅氧烷）链的网状结构，具有高可拉伸性、高介电强度、自主自我修复和机械致动等性能。其中，交联络合物包含2,6-吡啶二甲酰胺（2,6-pyridinedicarboxamide）配体和Fe(III)中心，配体可提供多个配位点与Fe(III)配位，得到三种不同强度的配位键（下图左侧）：一种Fe(III)与吡啶基团之间的强配位键，以及两种Fe(III)与酰胺基团之间的弱配位键。强配位键与弱配位键位置相邻，当弹性体材料被拉伸时，弱配位键断开耗散能量而强配位键仍然存在以保证材料不致断裂，这赋予该材料非常好的可拉伸性（最高可拉伸至原长度的45倍）。

图片来源：南京大学

再来说说自愈性能。由于强配位键与弱配位键的结合导致配位结构具有高度动态性，受到破坏后这些键能够快速自发形成，因此材料受损后无需任何外界刺激即可完全修复。即使将材料切成两片，只要相互接触放在一起，它们也会再次完美地结合，同时恢复几乎全部强度和90%的可拉伸性，而这一自修复过程即使在温度低至-20℃下依然可以进行（上图右侧）。如果在这种材料上扎一个洞，72小时后这个洞就会消失不见（下图a、b、c）。

同时，研究人员还发现，当向材料施加电场时（类似于肌肉组织被激活），该材料的长度会迅速增加约2%，而当电场被关闭后，材料又迅速恢复成原来大小（上图d、e、f）。不过这也是该材料的一个显著缺点，即施加电场后尺寸变化太小，远小于真实的肌肉（可收缩40%左右）。

“我们最初的目标并不是设计合成最好的人造肌肉，而是开发可拉伸和可自我修复的新材料，人造肌肉只是这种材料的潜在应用之一，”鲍哲南教授解释说。目前，该团队正计划进一步研究电场对材料的影响。

“这项工作非常有趣，也非常漂亮，”在南卡罗来纳州克莱姆森大学的高分子化学家Marek Urban说。这种弹性体的用途很多，如假肢、植入性人造肌肉、机器人、压力或者应变传感器等等。它的自愈功能也非常重要，尤其是对于在极端条件下（比如外太空）工作的仪器来说，这些仪器的修复极其艰难，或者干脆就不可能。“如果材料不得不被放置到很有可能会受损的地方，而且这种材料刚好具有自愈功能，那将会是一个巨大的优势，”Urban说。

1. http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2492.html

2. http://www.sciencemag.org/news/2016/04/artificial-muscle-can-heal-itself

3. http://scit.nju.edu.cn/Item/876.aspx

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