客观日本

大阪大学开发出可瞬间修复伤痕的自修复超分子材料

2020年09月15日 化学材料

大阪大学研究生院理学研究科博士三年级的朴峻秀和大崎基史特任讲师、该校高等共创研究院的高岛义德教授和产业科学研究所的原田明特聘教授,以及山形大学研究生院有机材料系统研究科的松叶豪教授等人组成的研究团队,成功制作出了可以快速自修复的橡胶弹性材料。

研究团队合成了两种高分子化合物,通过行星式球磨机混合,得到了结实、具备自修复功能、可以多次循环利用的超分子材料(图1)。

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图1:此次研究开发的结实、具备自修复功能、可以循环利用的超分子材料
(a)可以自修复和循环利用的超分子材料的分子间相互作用。(b)超分子材料的涂层即使出现划痕也能立即复原。(c)可以利用行星式球磨机重塑被破坏的超分子材料,使其恢复原状。

与此前合成的超分子材料相比,新材料性能更优异,工艺也比较简单,更容易用于工业用途,有望推进作为新一代材料的自修复性超分子材料的普及。例如,可作为机械、电子产品、汽车、飞机和机器人的表面保护涂层使用。即使出现划痕也能立即修复,可以大大减轻维护这些产品的工作量。

研究背景

高分子材料轻量、柔软且相对比较容易制造,自发现以来,已经成为日常生活中不可或缺的材料。不过,近年来一直面临废弃塑料造成的环境污染和作为原料的资源枯竭等问题,最近几十年对高分子材料的韧性和长寿命化的需求尤其强烈。利用分子之间的力的超分子材料不单单是一种结实的材料,还具有即使材料受损也能自然恢复的性质,有望解决上述课题。如果可以强化这种材料的功能并简化制造过程,就能降低实用化的门槛。

研究内容

研究团队合成了主体聚合物和客体聚合物两种高分子化合物(聚合物),并利用名为行星式球磨机的普通混合装置进行混合,由此得到了两种聚合物通过名为主体-客体相互作用的分子间微弱的力结合的超分子材料。研究发现,此时通过施加更强的混合力,获得的超分子材料会变得更结实。球磨机的强大力量可以解开像绳索一样纠缠的两种聚合物,并进行强力混合,由此能使聚合物更容易在分子水平上移动,并最大限度发挥主体-客体相互作用的性能和功能。

研究团队利用该材料制作涂布膜,然后在表面形成划痕,仅几秒钟划痕就消失。主体-客体相互作用可以使聚合物中的分子多次连接和分离,因此超分子材料能修复划痕,表现出像生命一样的自修复行为(图2)。另外,与修复划痕的原理相同,即使超分子材料被完全破坏,通过再次进行混合处理,也可以使材料恢复原来的形状重新使用,强度也能恢复。

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图2:超分子材料的结构及其自修复功能(表面划痕修复)
(a)利用球磨机处理后的超分子材料的内部结构。从宏观上来说,高分子的纠缠以块体形式存在,块体由可以自由移动的高分子链(主体聚合物和客体聚合物)构成。主体分子与客体分子之间的主体-客体相互作用在两种聚合物之间发挥作用,将两种聚合物连接起来。(b)刚刚在材料表面形成划痕后的显微镜照片。进行图像处理,计算了划痕的截面面积。(c)在60°C的温度下静置10分钟后的显微镜照片。划痕完全消失。

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图3:备受期待的超分子材料的产品和用途

自修复原理视频

论文信息
题目:Extremely Rapid Self-Healable and Recyclable Supramolecular Materials through Planetary Ball Milling and Host-Guest Interactions
期刊:Advanced Materials
DOI:10.1002/adma.202002008

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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