手机屏损坏可“自愈”？自修复材料商用可期

2017-04-06 09:31

在智能设备普及的今天，大屏已成为主流趋势。虽然大屏智能设备能给我们带来很好的体验，但是屏幕磨损与碎裂的几率也随之增加。遇到这种情况，人们多会选择拿去修理或更换手机。不过，科技的进步将为人们提供更多选择。
近日，加州大学河滨分校的化学家们发现了一种新型的可自动治愈材料。经过测试，这种材料能够借助延展性和粘合力对切口和划痕起到良好的修复作用，此种材料的特性使之可在未来被应用于手机屏幕及电池的修复方面，预计将于2020年被应用于消费级电子设备中。
自我修复材料一直是科技界研究和找寻的重点，除了电子设备的修复之外，自我修复材料还可广泛应用于医疗、军事及可穿戴设备等领域。这种有趣又强悍的材料能够为科技的进一步发展提供极大的助力，虽然自我修复材料距离真正的应用似乎尚有距离，但随着技术的进步，实现大规模的广泛应用可能性极大。
一、自我修复材料研究成果颇丰，种类各异修复方法繁多
自我修复材料，顾名思义，即物体受损时能进行自我修复的新型材料。这种材料被注入塑料聚合物中，当物体开裂，注入材料释放，可对受损物体的表面进行自动修复。关于自我修复材料的设想最早可上溯至20世纪60年代，不过，自我修复材料在技术上出现真正的进展与突破是在进入21世纪之后。
最早研制成功的时间是2001年，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Scott White带领其团队研制了一种由许多微型胶囊构成的、类似于塑料的自我修复材料。他们在塑料中加入人造导管系统，并在“血管”中注入可发生化学反应的液体。如此一来，一旦某处出现裂痕，这些液体即可混合，像血小板一样释放修复作用的试剂，裂痕得以修复，材料重新聚合。
值得注意的是，“光”在这项技术中可能起到至关重要的作用。对此，英国布里斯托大学的教授认为：“当你的手机屏幕受到划伤时，你可以将手机放置在窗口的阳光下，24个小时后手机上的划痕就可能已经自我修复了”。也就是说，如果这项技术被应用于实际，以后手机屏幕再有损伤，就可以不必送到手机店去修复，只要让它晒晒太阳即可痊愈。
此技术目前被制作成涂层，用于桥梁及直升机旋翼的护理，用以避免恶劣环境的侵害，自我修复材料由此实现产业化。
在消费级电子产品上，自我修复材料其实早有应用。
2013年，LG 推出G Flex，其后壳加入self-healing（自我修复涂层），可自主修复划痕。self-healing的概念来源于仿生，其原理是仿照生物体的自愈能力。然而，生物体本身的自愈能力有限，并非能够全部自愈。
最重要的是，生物体是可以进食或进行光合作用的，有能量的输入。而材料就没这种功能了，当然它们也能向上文提到的那样吸收光能或热能，但依然是相对封闭的系统。因此从理论上来讲，自我修复材料想达到类似生物体的自愈能力，是极为困难的。
不过，科学赋予人类的智慧往往能打破常规，提供更多可能性。除了仿生，自我修复材料还有许多设计方法，其中有两种最为典型。
第一，多层结构。使用高弹性聚合物，一旦受到外力，材料能够以变形的方式消耗外冲能量，过段时间即可回复原样。还可以在几层涂层系统中保留一层小分子，当涂层受外力破裂时，小分子可聚拢在划痕处参与反应，起到修复作用。
第二，微胶囊。用聚合物包住小分子有机物，将微胶囊均匀混合于涂料中，当涂层受外力作用，应力分布不均时，会在高应力区产生微裂纹，裂纹扩展至胶囊附近将其戳破，小分子即可起到修复作用。
此外，还有一种可逆反应，其原理近似于多层结构，靠氢键断裂吸收能量，从而实现自动复原。
自我修复材料为人类提供了无限的可能性，可在医疗、航空航天、军事器械制造、可穿戴设备等多领域加以应用。然而，任何的可修复材料都存有一定的缺陷。通常像这样的新兴材料距离商用都很遥远，但科技的发展和新的研究成果似乎缩短了自我修复材料与商用的距离。
二、尚存缺陷但研究进程迅速，自修复材料商用可期
就目前的自我修复材料情况而言，缺陷还是比较明显的。
高弹性聚合物，就算弹性再好，也有承受不住的时候，若是体材料还能好一些，若是涂层，其消耗能量有限，难以承受过大的压力。
微胶囊与高弹聚合物同理，hold不住过大外力。此外涂料里能够添加的微胶囊数量有限，并且破裂过程不可逆。如果相同的位置第二次出现破裂，微胶囊已用尽，就失去了再度自我修复的能力。
至于氢键，其本身体量小，在聚合物里也不会太大，扛不住冲击就会破坏化学键，其反应的可逆程度几乎可以忽略了。
由此看来，自我修复材料距离真正商用似乎还很遥远，当然，这也是多数新型材料论述文章的标准结局。但对于自我修复材料来说，事情似乎并未就此而止。
上文提到的加州大学发现的新材料，可以说是可自愈材料领域的一大进步。与以往材料的不同之处在于，这种新材料延展性极强，可拉伸至原尺寸的50倍。新材料由可延展聚合物与离子盐组成，具备一种特殊的粘合力，这种力存于带电离子与极性分子之间，被称为离子偶极相互作用。
研究人员对这种材料进行修复划痕和切口的测试，发现它们只用24小时就能重新对接，这是因为材料中的极性分子和带电离子相互吸引，也意味着能够导电的自修复材料首次被研制成功。
这对于电子设备的修复是非常重要的突破。电子设备屏幕下方通常有一个电极网络，当我们触碰屏幕之时，手指与它们形成完整的电路，从而实现操作。然而以前的自修复材料都不导电，不能用于电子设备屏幕的生产。
因此，这种材料的研制成功能使电子产品的屏幕和电池在自我修复方面跨出一大步。研究人员预测，此种材料将在2020年应用于手机屏及电池的生产之中。领导这一团队的化学家Chao Wang认为：“会有很多自修复产品在未来的3年内问世，它们将改变我们的日常生活，它们会让我们的手机获得更优的性能。”
除了电子设备，自修复材料在可穿戴设备中也将发挥极大的作用。
目前可穿戴设备的物理材料所存在的最大问题，是在柔韧性和可塑性方面受到诸多限制。假如有一种柔性材料损坏，就彻底报废，就算能继续使用，效果也不尽如人意。不仅是可穿戴设备领域，医疗、体育科技、电子产品领域皆存在这一问题。
针对这一问题，宾夕法尼亚州立大学的科研团队在去年5月研制出一种适用于可穿戴设备的全新自愈柔性材料。在这项研究中，所面临的难点是需要确保设备自愈后仍具有原本的功能。比如手环如果失去散热能力，用起来就会发烫，就算外表损伤能够自愈，一个发烫的手环也和坏掉没什么区别。
基于此，团队对材料的导电性、导热性以及机械性等多项内容进行了测试。在这一过程中，新材料被高温和剪切等方式分为两部分，但仍能够 “痊愈”，哪怕是在承重200克断裂之后。并且此种材料不受温度及湿度影响，在高温或潮湿的环境之下仍能发挥功能。如此一来，穿戴这些设备运动或旅行，也不必担心损坏。
这样的特性使得这种材料不仅能应用于可穿戴设备之中，还能在更加广泛的领域发挥出更大的作用。不过这项研究仍在继续：“下一步我们还需要提高绝缘性来对内部的微电子电路进行保护”，团队负责人Qing Wang教授如是说。
自我修复材料如能实现商用，将会对许多领域的发展起到推助作用。想象一下，自修复材料大规模商用以后，可能会出现一些科幻般的场景：汽车划痕能自我修复，无需再次喷漆，也无需织补沙发座椅；飞机、火车、汽车等交通工具的零件能够像人体细胞那样自我修复和更新，永不磨损永不生锈，乘坐永远安全，能有效降低交通事故发生的几率；桥梁、河堤、路面能够自我翻新，不会老旧；电子设备的各种零件能够自我修复，延长使用寿命。
按照自修复材料领域的发展情况来看，自修复材料有望在几年之后逐渐实现商用。不可否认，自修复材料仍存在问题和改进的空间，但这些问题都有望被破解，自修复材料在几年之内应用于实际的场景是可以期待的。
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