李国良：多级次氢键仿生策略人工合成超韧性自修复材料
近年来，受到大自然生物体启发的人工合成智能自修复材料是国际前沿性课题。当材料被赋予自修复性能后，其使用寿命可显著延长，在航空航天、电子器件、化工新能源材料等领域具有非常重要的意义。通过引入超分子键弱相互作用，例如金属配位键、氢键、主客体作用力等，材料可被赋予动态可逆重构功能，进而实现材料损伤的自我修复，这是早期发展的合成策略。为了达到可修复的效果，自修复材料的力学性能往往较弱，导致其应用大大受限。因此，构筑具有优异力学性能的自修复材料目前仍然是一个巨大的挑战。最近，中国科学院过程工程研究所的李国良研究小组在国际著名期刊《德国应用化学》杂志上发表了题为“Towards Dynamic but Supertough Healable Polymers through Biomimetic Hierarchical Hydrogen-Bonding Interactions”的文章，并被选为VIP (Very Important Paper)论文。
我们知道，生命体中的蛋白质─────肌联蛋白（Titin）具有分子弹簧的作用，在肌肉损伤时可以自我修复，并且具有很好的韧性。研究表明，肌联蛋白具有的独特分子结构和超分子氢键作用是其性能优异的主要原因。李国良研究小组通过模仿肌联蛋白分子结构，在高分子材料的分子设计中引入多级次氢键作用力，合成了具有超韧性和高拉伸强度的自修复材料。此合成策略制备的材料不仅具有可修复性能，而且修复后的拉伸强度高达44 MPa，同时具有大的形变及回弹性，韧性值高达345 MJm-3，是目前报道的可修复材料中的最大值。当破损的薄膜材料完成自修复后，其可轻松提拉起10kg重物，且承重过后材料可以迅速恢复至原来的形状。作者采用了原位变温红外等手段表征了多级次氢键的分子作用原理，小角散射手段验证了其微观相分离结构，从分子理论层面理解超韧性自修复材料的结构与性能关系。此项研究独辟蹊径，采用的多级次氢键作用仿生策略是人工合成自修复材料有效的新方法，为智能自修复材料的分子设计提供了独特视角。
图1. 基于多级次氢键仿生策略构筑的超韧自修复高分子材料
图2. 已经报道的可修复材料的韧性值统计
上述工作的第一作者是宋妍博士，通讯作者为李国良研究员，该项研究得到了北京市科技新星等经费支持。此外，该成果申请了国家ZL（申请号：201710658830.7）。由于聚氨酯薄膜材料用途广泛，此项具有我国自主知识产权的研究成果正在积极地进行转化，希望能为国民经济做出贡献。
