自修复材料

在生活中，我们离不开各种材料的帮助。塑料、橡胶、混凝土、金属……各种各样的材料构筑了今日世界的样子。随着日常的使用，材料总会逐渐破损乃至毁坏，而对其修补更是费时费力。

那么，我们能否制造出可以自行修复的材料呢？

设想某天你和朋友一起外出爬山，山坡上树木茂盛、荆棘丛生，这给你们的旅途带来了不小的麻烦。当你终于到达山顶时，你发现自己已经付出了不小的代价：锋利的树枝不仅在你的衣服上划出几个口子，还在你的身上留下了多处划痕。好在伤口并不是很严重，只是表皮被划破，略微有些出血而已，你甚至懒得在伤口处贴上创可贴。几天之后，皮肤就恢复正常，再也看不到之前的划痕了。可是衣服上的破洞依旧那么显眼。你不禁喃喃自语：要是被划破的衣服也能像皮肤一样自动愈合该多好啊。

确实，虽然科技的进步使得我们已经可以制造出性能远远超过天然材料的合成材料，但在遇到损伤时，生物往往可以主动地将破损处修复，使得身体在很短时间内恢复正常，而合成材料则只能眼巴巴地等待使用者前来修复。

对于破损的材料，我们已经有了许多行之有效的修补手段，就像给衣服上的破洞打补丁一样，例如金属可以焊接、塑料可以用黏合剂粘合。然而这样的修补毕竟费时费力，而且也不是每次修补都能让材料的外观和性能完全恢复到破损前的状态。当破损不严重的时候，本应是修补的最佳时机，很多人却会选择忽略，好比说你总不能因为车身的喷漆出现一点划痕就把汽车送去修理厂吧？况且很多破损最初形成时只有肉眼难以发现的几十微米宽，甚而出现在材料内部，这样的破损使用者根本无法察觉，这就更谈不上修理了。

俗话说：“小洞不补，大洞吃苦。”破损一旦形成，无论多么微小，都已经在原本完好的材料上打开一个缺口。随后缺口逐渐扩大，最终导致材料分崩离析，失去使用的价值。这个时候我们或许终于下定决心将材料送去修补，但很可能为时已晚；有时在送去修补前，大祸已然酿成。

正是因为看到了合成材料的这一缺陷，近年来，研究人员提出了“自修复材料”（self-healing materials）的概念。顾名思义，这种材料在出现损伤时，不需要使用者的帮助，或者只需要很少一点干预，就可以自动将破损处修复。在延长材料的寿命的同时，大大降低使用者的维护成本。

那么怎样才能让材料具有自修复的能力呢？让我们以塑料为例，看看问题的关键在哪里。

塑料根据其结构可以分为热塑性塑料和热固性塑料。聚乙烯是典型的热塑性塑料。无数的乙烯分子首先通过共价键彼此结合到一起形成线性的聚乙烯分子，分子之间再通过范德瓦耳斯力（相邻分子极化产生的分子间静电作用力）维系起来，从而让聚乙烯具有一定的强度。如果进一步把这些线性分子通过共价键连接起来形成三维的网络，那么就变成了热固性塑料，环氧树脂、酚醛树脂便属于这一类。当塑料在外力作用下断裂时，热塑性塑料主要是范德瓦耳斯力遭到破坏，使得原本相邻的分子被拉开，而热固性塑料则一定是共价键遭受了破坏。

现在我们将裂成2块的塑料沿着裂缝重新拼到一起，为什么它们不能重新变为一体呢？这是因为范德瓦耳斯力只有当2个分子距离足够近时才会起作用。当我们把塑料拼在一起时，看上去裂缝2边的材料已经相当靠近，但如果用显微镜观察，就会发现2边的聚合物分子实际上还离得很远呢。同时塑料又处于固态，裂缝2边的分子无法主动改变位置来彼此接近。对于热固性塑料来说，情况更为糟糕，因为受损的共价键往往需要特定的条件才能重新建立起来。因此，受损的塑料无法自动恢复到原有的性能。

要想将破损的塑料重新修复起来，比较好的选择是使用黏合剂。黏合剂能够流动，所以其分子们可以和原有的聚合物分子靠得足够近，重新建立起范德瓦耳斯力。也就是说，黏合剂像桥梁一样，将隔得很远的聚合物分子们重新拉近。随后，通过特定的物理过程或者化学反应，原本液态的黏合剂变为坚硬的固态，使得新形成的范德瓦耳斯力的强度大大增加，从而让材料的性能得到一定程度的恢复。

在完好的塑料中，分子之间通过范德瓦耳斯力和共价键相互作用如图1（a）；出现破损后，位于裂缝两侧的塑料分子相距较远且缺乏流动性，因此无法使范德瓦耳斯力和共价键得到恢复如图1（b）；黏合剂由于具有良好的流动性，可以与塑料分子有效地建立起范德瓦耳斯力，从而使得受损材料的性能得到一定的恢复如图1（c）。

图1 材料受损与修复过程

因此，如果想让塑料在出现损伤时能够自动将其修复，一种可行的方法就是让它“自带”黏合剂。那么这应该如何实现呢？科学家们从一种常见的办公用品中找到了灵感。

来自复写纸的启发

虽说随着打印机、复印机的日渐普及，复写纸已经不复往日的风光，不过有些时候我们还是会用到它。例如去邮局或者快递公司寄送包裹时，工作人员会拿出1式3份的复写式单据让我们填写。当我们填写好最上层的单据后，同样的内容便被复制到下面2张单据上。

这样的复写纸被称为无碳复写纸（区别于过去....