试想一下，如果有一种材料能像人类皮肤一样，在受到外来伤害后能自动修复，完好如初，那么材料的使用寿命将大大延长。具有这种特性的材料就叫做自修复材料。在科研人员的不断努力之下，已成功通过DA反应、二硫键交换、氢键、金属-配体配位等赋予材料自修复性。但是，目前自修复材料还存在着一个难题，就是如何得到同时具有高修复效率和高强度的自修复材料。实现自修复性需要足够的动态结构，而高强度的材料需要强的相互作用（如共价键），这像天平的两端，难以同时兼得。

最近，南京理工大学的傅佳骏和姜炜副教授在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Transparent, Mechanically Strong, Extremely Tough, Self-Recoverable, Healable Supramolecular Elastomers Facilely Fabricated via Dynamic Hard Domains Design for Multifunctional Applications”的文章，向这个难题发起了挑战。他们提出了“动态硬段微区”的新策略，制备了聚氨酯-脲超分子弹性体，该弹性体同时具备透明、高强度（能举起7.5 kg）、高韧性（65.49 MJ m−3）和室温自修复等特性。动态硬段微区由不同强度的多层级氢键组成，通过该微区的依次断裂和快速重排来实现材料的高修复效率和高强度。

 

 

 

图文导读

该聚氨酯-脲弹性体由一步缩聚直接得到，作者通过该方法制备了三种具有不同硬段的弹性体PPGTD-IDA、PPGTD-HDA和PPGTD-PDA（图1）。对比后发现，PPGTD-IDA的自修复性能最好，可以在室温下放置48小时后完全修复。它的室温自修复能力来源于动态硬段微区的快速重排。

作者将动态硬段微区的构成要素归纳如下：（1）非晶态和疏松结构构成了动态硬段微区的结构基础；（2）较低的结合能和高运动能力是确保室温下动态硬段微区活性的必要条件；（3）室温下聚合物网络的重排能力是动态硬段微区的重要特征，与修复效率紧密相关。除了自修复性之外，PPGTD-IDA还具有很好的透明性、高强度和韧性、变形自动回复等特点（图2）。作者还详细表征了PPGTD-IDA的机械性能（图3）。PPGTD-IDA具有很高的韧性（65.49 MJ m−3）和断裂能（42 650 J m−2，已报道的室温自修复聚合物中的最高值）。这是由于在拉伸的过程中，动态硬段微区中较弱的氢键作为牺牲键先断裂，消散了能量，提高了韧性。基于PPGTD-IDA的这些特性，它可以应用于吸能材料、防腐涂层甚至是柔性穿戴（图4）。作者构筑了三文治结构的PPGTD-IDA/GaInSnPs导电膜，导电率为29.82 S cm−1，而且导电率在拉伸（400%）、弯曲和有缺口的情况下基本不变。

 

 

 

图1 三种弹性体PPGTD-IDA、PPGTD-HDA和PPGTD-PDA的自修复性能对比

 

 

 

图2 PPGTD-IDA的特性

 

 

 

图3 PPGTD-IDA的机械性能

 

 

 

图4 PPGTD-IDA为基础材料的可拉伸和自修复导体

亮点小结

总之，该文章报道了以“动态硬段微区”策略制备的超韧室温自修复聚氨酯弹性体。通过分子设计引入多层级氢键，构成动态硬段微区，从而同时实现高修复效率和高机械强度。该弹性体可望应用于吸能材料、防腐涂层和柔性穿戴。其中，本文构筑了可拉伸和自修复导体，虽然导电率较低，但是其导电率在拉伸、弯曲和有缺口的情况下基本不变，为下一代柔性穿戴器件的设计提供了思路。