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  日前，美國化學(xué)學(xué)會(huì)ACS Nano發(fā)表了來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊明教授課題組關(guān)于超硬耐磨并可自修復(fù)涂層的研究成果《一種具有牙釉硬度的表皮狀分層智能涂層》。研究小組設(shè)計(jì)了一種讓人聯(lián)想到人類表皮自我修復(fù)功能的涂層，但它卻具有牙釉質(zhì)般的強(qiáng)度，可用于建筑涂料和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備涂層領(lǐng)域。該研究將氧化石墨烯和柔軟自愈的聚合物相結(jié)合。

  該研究通過將表皮狀分層結(jié)構(gòu)與氧化石墨烯的機(jī)械性能和阻隔性能相結(jié)合，克服了實(shí)現(xiàn)具有自愈能力的硬質(zhì)材料的基本困境，并表明這種仿生設(shè)計(jì)使得具有協(xié)同修復(fù)效果的智能分層涂層系統(tǒng)的剛度（31.4±1.8GPa）/硬度（2.27±0.09GPa）均達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄水平，甚至可與牙釉質(zhì)相媲美。由石墨烯氧化物構(gòu)成的準(zhǔn)線性逐層（layer-by-layer，LBL）膜沉積在多層聚合物的頂部作為保護(hù)硬層，形成模仿表皮結(jié)構(gòu)的分層狀態(tài)。這一混合多層膜結(jié)構(gòu)在受到破壞后可以實(shí)現(xiàn)完全自我修復(fù)：柔軟的下層可以提供附加的聚合物來幫助外硬層的恢復(fù)。

  雖然這不是第一個(gè)打入市場的智能涂料，但市場上的確對(duì)效果更好的自修復(fù)材料仍然有著巨大需求。

  據(jù)項(xiàng)目研究人員楊明教授介紹，目前的自修復(fù)材料和涂料往往很軟，磨損很快，由此造成了類似塑料廢物一樣的管理方面的問題。其研究團(tuán)隊(duì)的新設(shè)計(jì)可以幫助解決這些問題，將軟涂層的彈性與硬涂層的剛性相結(jié)合。

   “這種材料是一種效果優(yōu)異的仿生皮膚，牙釉質(zhì)雖然堅(jiān)硬卻不可復(fù)原，而這種材料卻可以從內(nèi)部自發(fā)完成自我修復(fù)”。

  這種新材料的外部由氧化石墨烯賦予硬度，內(nèi)部由單寧（鞣酸）和聚乙烯醇（PVA）形成氫鍵動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，這與皮膚表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)類似，內(nèi)外各司其職滿足了耐磨并且柔韌的特性。“內(nèi)部向外部提供聚合物，而外部則成為阻擋聚合物擴(kuò)散的屏障，但就硬度而言人體皮膚的片狀細(xì)胞完全無法與氧化石墨烯相比。”將新材料進(jìn)行分別測試，內(nèi)外部結(jié)構(gòu)都沒有自我修復(fù)能力，但是將兩者恰當(dāng)結(jié)合到一起之后，這種復(fù)合材料就展示出了自愈能力。

  該涂層顯示出能夠同時(shí)保護(hù)手機(jī)屏幕和建筑物的潛在市場應(yīng)用方向，并且其殺菌性能還可以使其在生物醫(yī)學(xué)裝置防護(hù)方面具有應(yīng)用價(jià)值。

  頂層涂層在韌性上與牙釉質(zhì)相似，但是硬層和軟層能夠協(xié)同工作以產(chǎn)生愈合性能。楊明教授補(bǔ)充說：“這個(gè)設(shè)計(jì)原理可能對(duì)任何自愈聚合物系統(tǒng)都有用，我們也試圖將類似的設(shè)計(jì)原理應(yīng)用于其他自修復(fù)聚合物，尤其是那些已經(jīng)在市場上銷售的聚合物。”

  楊明預(yù)測說，相關(guān)技術(shù)的原型可以在兩年內(nèi)準(zhǔn)備好，五年或更長時(shí)間內(nèi)有更多的最終應(yīng)用開發(fā)。

  目前階段，該技術(shù)仍有不足，涂層需要用水激發(fā)完成修復(fù)。“室內(nèi)操作還可以接受，但用于戶外或是電子設(shè)備等領(lǐng)域則是不可接受的”，研究小組解釋道。因此，目前正在開展關(guān)于光敏或熱敏激發(fā)自愈可能性的進(jìn)一步研究。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b05478