能自己 “愈合” 的材料，到底有多神奇？

来源：科普中国

从手机屏幕摔碎后能自动修复划痕，到汽车漆面被刮蹭后能自动恢复平整，从混凝土桥梁出现裂缝后能自行愈合，到电子设备的电路断裂后能自动恢复导电性能，自修复材料的出现，正在彻底改变我们对材料寿命的认知。它模仿了生物组织的伤口自愈能力，能在材料出现损伤、划痕、裂缝的时候，通过特定的机制，自动完成修复，恢复材料原有的力学性能、功能特性，大幅延长材料的使用寿命，降低维护成本，被誉为 “会自己疗伤的神奇材料”，更是下一代新材料领域的核心研发方向，正在快速从实验室走向产业化应用。很多人都会好奇：自修复材料到底是什么？它是怎么实现 “自我愈合” 的？它有哪些不同的修复机制？它能给我们的生产生活带来哪些改变？它的发展前景如何？

很多人对自修复材料的认知，都来自于科幻电影里能自动修复的装备，但事实上，自修复材料不是科幻想象，它是一门已经发展了几十年的成熟学科，核心是模仿自然界中生物的自愈能力。在自然界中，生物的皮肤、骨骼、组织，在受到损伤后，能通过自身的新陈代谢，完成伤口的愈合和修复，恢复原有的功能。而自修复材料，正是把这种生物自愈的原理，引入到了材料科学中，通过在材料体系中设计特定的修复机制，让材料在受到外界损伤后，能自发地，或者在外界的轻微刺激下，完成损伤的修复，恢复材料的结构完整性和性能。

简单来说，传统的材料，在出现损伤后，性能会不可逆地下降，只能通过人工修补、更换来解决，而自修复材料，拥有了和生物一样的 “自愈能力”，能自己 “治好” 自己的 “伤口”，从根本上解决了材料损伤导致的性能衰减、寿命缩短的问题，这也是它最核心的颠覆性优势。

想要搞懂自修复材料的神奇之处，就要理解它的核心修复机制，根据修复条件的不同，自修复材料主要分为两大类：本征型自修复材料和外援型自修复材料，两者有着完全不同的修复原理，也适配不同的应用场景。

第一大类，是外援型自修复材料，也叫微胶囊型自修复材料，它是发展最早、技术最成熟的自修复材料，修复原理和人体的血液凝固愈合伤口非常相似。它的核心设计，是在材料基体中，嵌入大量的微米级甚至纳米级的微胶囊、微脉管，这些微胶囊里，封装了修复剂和固化剂。当材料受到外力作用，出现划痕、裂缝的时候，裂缝会把沿途的微胶囊划破，里面的修复剂会立刻流出来，填充到裂缝的空隙中，和材料中的固化剂发生化学反应，快速固化，把裂缝重新粘合在一起，完成损伤的修复，恢复材料的结构强度和性能。

这种修复方式，就像在材料里预埋了无数个 “创可贴”，哪里出现损伤，哪里的微胶囊就会破裂，释放修复剂完成修补，不需要任何外界的刺激，能实现自发的、原位的修复，非常适合用于涂料、混凝土、复合材料等领域。但它也有一定的局限性，微胶囊是一次性的，破裂修复后就无法再次使用，同一个位置只能完成一次修复，无法应对多次重复的损伤。

为了解决这个问题，科学家们研发出了仿血管的微脉管型自修复材料，它在材料内部构建了像人体血管一样的三维微脉管网络，里面充满了修复剂，当材料出现裂缝时，微脉管网络里的修复剂会在毛细作用下，流到裂缝处完成修复，而且微脉管网络是连通的，能持续提供修复剂，同一个位置能实现多次修复，大幅提升了材料的修复寿命。

第二大类，是本征型自修复材料，它是目前自修复材料领域的研发核心，也是最具潜力的修复路线。和外援型不同，本征型自修复材料，不需要额外的微胶囊、修复剂，它的修复能力，来自于材料本身的分子结构设计，材料的分子链之间，含有大量的动态可逆化学键，或者超分子相互作用，当材料出现损伤时，这些动态键会发生断裂，而在一定的外界刺激下，比如加热、光照、水、湿度变化，这些动态键能重新结合，让断裂的分子链重新连接，完成裂缝的修复，恢复材料原有的性能。

这种修复方式，是基于材料本身的分子结构实现的，不需要额外的修复组分，同一个位置能实现几十次、上百次的重复修复，几乎能无限次恢复材料的性能，而且能实现纳米级、分子级的损伤修复，修复效率极高，是真正意义上的 “仿生自愈材料”。根据动态键的不同，本征型自修复材料又分为很多种类，比如基于 Diels-Alder 反应的热可逆型材料，在加热到一定温度时就能完成修复；基于氢键、疏水作用的超分子材料，在常温下、遇水就能实现自修复；基于二硫键、二硒键的光响应型材料，在可见光、紫外光的照射下，就能快速完成修复，甚至能实现远程、精准的局部修复。

正是这些独特的修复机制，让自修复材料拥有了传统材料无法比拟的优势，能完美适配多个领域的应用需求，解决了很多行业长期存在的痛点。第一个核心应用领域，是涂料和涂层行业，这也是自修复材料最先实现商业化应用的领域。汽车漆面、家具漆面、建筑外墙涂料、船舶防腐涂料，在使用过程中，很容易出现划痕、磨损、老化，导致涂层的防护性能下降，尤其是船舶的防腐涂层，一旦出现破损，会导致船体钢结构的腐蚀，带来严重的安全隐患，维护成本极高。而自修复涂料，能在涂层出现轻微划痕、磨损的时候，自动完成修复，恢复涂层的平整性和防护性能，哪怕是出现了细微的裂缝，也能自行愈合，大幅延长涂层的使用寿命，降低维护成本。目前，自修复汽车清漆、自修复防腐涂料已经实现了商业化应用，能在常温下自动修复轻微的划痕，让汽车漆面始终保持光亮如新，船舶防腐涂层的使用寿命能延长一倍以上。

第二个核心应用领域，是建筑和土木工程领域。混凝土、钢筋等建筑材料，在长期使用过程中，会因为温度变化、荷载作用、腐蚀，出现细微的裂缝，这些裂缝会不断扩大，导致建筑结构的强度下降，严重影响建筑的安全性和使用寿命，而桥梁、隧道、大坝等大型基础设施，出现裂缝后的人工检测和修补，难度极大、成本极高。自修复混凝土，能完美解决这个痛点，科学家们在混凝土中，加入了含有修复剂的微胶囊，或者能矿化修复的微生物菌剂，当混凝土出现裂缝时，微胶囊破裂释放修复剂，或者微生物遇水激活，生成碳酸钙，填充裂缝，实现混凝土的自修复，恢复结构的强度和密实性，大幅提升建筑的使用寿命和安全性，降低基础设施的全生命周期维护成本。目前，自修复混凝土已经在桥梁、隧道、海洋工程等项目中实现了示范应用，效果显著。

第三个核心应用领域，是电子信息和柔性电子领域。随着柔性电子、可穿戴设备、折叠屏手机的快速发展，电子器件的柔性、可拉伸性要求越来越高，而传统的导电材料、电极、电路，在反复弯折、拉伸的过程中，很容易出现断裂、损坏，导致器件失效，这也是制约柔性电子产业发展的核心瓶颈。而自修复电子材料，能完美解决这个问题，科学家们研发出了自修复导电材料、自修复电极、自修复半导体材料，这些材料在出现断裂、划痕后，能在常温下快速完成修复，恢复原有的导电性能和电学特性，哪怕是反复弯折、多次断裂，也能反复修复，大幅提升柔性电子器件的使用寿命和可靠性。同时，自修复材料能用于锂电池的电极和电解质，解决锂电池在循环过程中出现的电极开裂、固体电解质界面破损的问题，大幅提升锂电池的循环寿命和安全性，解决锂电池的容量衰减痛点。

第四个核心应用领域，是高端装备和航空航天领域。航空航天装备、风电叶片、工程机械等高端装备，在极端环境中运行，很容易出现疲劳损伤、细微裂缝，这些损伤很难被及时检测到，却可能引发严重的安全事故，维护和检修成本极高。自修复复合材料，能用于制作这些高端装备的结构件，当材料出现疲劳损伤、细微裂缝时，能自动完成修复，恢复结构的力学性能，大幅提升装备的运行安全性和可靠性，延长使用寿命，降低维护成本。比如，风电叶片的自修复涂层，能自动修复风沙侵蚀造成的划痕和裂缝，延长叶片的使用寿命；航空航天装备的自修复复合材料，能在太空的极端环境中，自行修复微陨石撞击造成的损伤，保障航天器的运行安全。

除此之外，自修复材料在生物医疗、纺织服装、汽车制造等领域，也有着极其广泛的应用前景。比如，在生物医疗领域，自修复水凝胶能作为医用敷料，贴合在伤口上，能随着人体的运动变形，同时自行修复破损，持续保护伤口，还能作为药物缓释载体，实现精准的药物递送；在纺织领域，自修复面料能自动修复衣物的磨损和划痕，让衣物始终保持完好，还能实现防水、防污的功能。

当然，自修复材料的大规模商业化应用，依然面临着一些挑战。首先是材料的性能平衡问题，很多自修复材料，虽然拥有优异的修复能力，但力学强度、耐热性、耐久性，不如传统的工程材料，无法满足高端装备、建筑结构等场景的高强度需求，需要进一步优化材料体系，在修复能力和力学性能之间实现平衡。其次是修复条件的限制，很多本征型自修复材料，需要加热、光照等外界刺激才能完成修复，无法在常温下实现自发修复，需要研发能在自然环境中实现高效、快速自发修复的材料体系。第三是规模化制备的成本问题，目前很多高性能的自修复材料，原材料成本高，制备工艺复杂，导致产品价格昂贵，制约了大规模的民用普及，需要开发低成本、可规模化生产的制备工艺。

我国在自修复材料领域，已经走在了世界的前列，无论是基础研究、材料研发，还是产业化应用，都取得了显著的成果。国内的科研团队在自修复高分子材料、自修复混凝土、自修复电子材料等领域，取得了多项原创性的突破，相关论文和专利数量位居全球第一，已经有多家企业实现了自修复涂料、自修复薄膜等产品的规模化生产和商业化应用，形成了完整的研发和产业化体系。

从被动的人工修补，到主动的自我修复，自修复材料彻底改变了材料的生命周期模式，它让无生命的材料，拥有了和生物一样的自愈能力，解决了多个行业长期存在的材料损伤、寿命短、维护成本高的痛点。未来，随着材料科学的不断进步，自修复材料一定会实现更大规模的应用，走进我们生产生活的方方面面，让我们身边的物品，都拥有 “自我疗伤” 的神奇能力。

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