IF 72.087的顶刊综述！从机理出发“揭秘”自愈合材料的设计原则

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

自修复材料通过改善材料性能和器件寿命，为更可持续的技术开辟了新的前景。近十年来，由于材料和设备寿命的预期延长，从而提高了可持续性，人们对设计自修复材料的兴趣大幅增长。合成系统中的自我修复包括封闭阶段(分子间扩散)和一些化学/物理修复(键重排)，但它与生物系统中的过程不同，通常更简单，恢复功能的步骤更少。

然而，对合成体系中自愈合机制的理解仍然有限，阻碍了具有理想自愈合特性材料简单设计原则的进一步发展。为此，来自美国橡树岭国家实验室的Alexei P. Sokolov、Tomonori Saito团队介绍了自愈合聚合物领域的最新发展，主要基于具有动态共价键和非共价键的聚合物。首先描述了当前的自愈机制模型，并讨论了几个具有不同类型动态键的系统的例子，从各种氢键到动态共价键。此外，还讨论了本质自愈聚合物在不同技术中的各种应用，并总结了该领域目前面临的挑战。

相关研究成果以“Intrinsically Self-Healing Polymers: From Mechanistic Insight to Current Challenges”为题于2022年12月28日发表在《Chemical Reviews》上。

1.动态键和当前对自我修复机制的理解

具有动态(可逆)键的自修复聚合物网络具有独特的粘弹性，由于聚合物设计的兼容性和适应性，它们可以很容易地进行定制，其中官能团可以插入到聚合物骨架的特定位置。动态键有很多种，包括氢键和离子键、π-π叠加、动态共价键、客体-宿主相互作用和金属-配体配位(图1)。在此部分，作者还重点介绍了控制动态键重排的机制、描述动态键和自愈过程的模型以及其他刺激-加速自愈动力学三部分。

图1 不同动态化学键的图示

2.具有代表性的自愈聚合物

在这部分，作者主要从三方面介绍了自愈聚合物：具有非共价动态键的自修复材料（金属-配体配位、离子相互作用和氢键作用）（图2-3）、具有共价动态键的自修复材料（Diels–Alder(DA)反应、可逆二硫键、硼酸酯等）（图4）以及组合不同的动态键采用牺牲键的策略（图5）。

图2 金属-配体配位（a-b）、离子相互作用（c-d）

图3 氢键作用

图4 具有动态共价键的自修复材料

图5 组合不同的动态键采用牺牲键策略

3.量化自修复性能

接下来，作者对如何表征自愈合过程的动力学、愈合效率、研究自愈合的实验方法以及评价自愈合性能进行了简单叙述。对于自愈合效率和动力学方面，通常关注四个小方面：机械性能、自愈时间、自愈温度以及等待时间。

4.自修复聚合物的应用

固有的自修复聚合物在各种应用中具有巨大的潜力，可以提高许多系统的寿命和效率。在本节中，作者将概述它们在增材制造、外壳、储能和可拉伸电子应用中的用途。不过作者并未讨论其在诸如生物医学应用等应用中的使用。

（1）增材制造（AM）

AM提供了几何自由、定制设计、更少浪费、更短时间以及从设计到完成减少能量的优势（图6）。AM本质上是自修复聚合物，结合了高效制造和延长产品寿命的优点。

图6 用于增材制造的固有自修复聚合物

（2）包膜应用

已经报道了内在自修复聚合物的其它实际应用，包括诸如密封剂、涂料和气体分离膜的外壳应用（图7）。

图7 用于包膜应用的内在自修复聚合物

（3）能量存储

聚合物材料的自愈合特性对于能量储存装置来说是特别理想的，因为电极的长期电化学稳定性总是受到循环过程中机械断裂的限制。在过去的几十年中，自修复聚合物被广泛用于电池应用，包括锂离子电池中硅(Si)电极的粘合剂、聚合物电解质和锂金属电池中的人造固体电解质界面(SEI)层。自修复聚合物可以自发修复电解质、电极保护层或电极本身的机械损伤，从而延长电池的循环寿命（图8）。

图8 用于能量储存的固有自修复聚合物

（4）可拉伸电子设备

自愈合特性还可以结合到用于诸如可拉伸导体和电子/离子皮肤的材料中。例如，在聚合物中嵌入液态金属合金已经产生了多种可自我修复的复合材料，用作柔性电子器件（图9）。

图9 用于可拉伸电子设备的固有自修复聚合物

固有的自修复聚合物为延长使用寿命的软材料提供了独特而重要的功能。虽然自愈合是生物系统中的常规过程，但合成的固有自愈合聚合物的发展仅在过去二十年中受到显著关注。该领域最近取得了许多令人兴奋的成就，包括采用了更多类型的动态键，展示了自修复聚合物在各种当前和未来技术中的巨大潜力。

但其仍然存在着一些主要的挑战，主要体现在自我修复动力学和机械强度之间的权衡、采用复杂的架构和动态结合的组合来超越模数-自我修复率的权衡、需要对自愈进行原位分析、理论和建模挑战等四方面。尽管存在这些挑战，但精密聚合物合成的重大进展和各种各样的动态键为设计具有许多独特性能的功能性自修复聚合物材料提供了巨大的机会。

文章来源：

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00575

转自：“i学术i科研”微信公众号

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