漫畫人物金剛狼的自我修復能力已經不再是想象。世界各地的研究人員正在研究自愈材料，其用途廣泛，從耐腐蝕涂層到人造肌肉[2]。

在當今的現代技術中可以找到自然界的許多元素。自我修復材料的類別是受具有固有修復能力的生物系統啟發的。有機體的治愈和重塑方法是由化學信號引發的。這會觸發炎癥，然后閉合傷口。因此，該過程首先在組織水平支持的分子水平上進行[1]。在工程材料模仿此功能的情況下，開發了類似的方法。

圖1：修復的合成和生物學途徑[3]。

甲自愈性能在工程材料被定義為“有能力修理損傷和恢復使用固有的可用資源到系統丟失或退化的特性[3]”。由于磨損和損壞是其應用的一部分，所有材料最終都將失敗。自愈材料提供了通往更安全，更持久產品的道路。

自愈材料的種類

2001年，伊利諾伊大學香檳分校的Scott White及其同事報告了第一種自我修復材料[4]。利用內部嵌入的粘合劑進行修復的材料屬于聚合物的材料類別。從那時起，世界各地許多研究小組開發了自我修復材料，這些材料采用獨特的方法來實現相同的功能。這些可以大致分為以下幾種類型：

1. 聚合物：由于它們提供的廣泛性能，它們是使用最廣泛的材料系列之一。但是，在使用過程中，在正常的老化和磨損下，它們往往會產生小裂紋。這種磨損導致機械性能下降，并最終使材料無用。這導致了自愈聚合物和水凝膠的發展。

2. 涂層：通常用于保護表面免受磨損。自愈涂層已經發現了商業應用，日產公司的耐腐蝕涂層就是一個例子。

3. 陶瓷：結構陶瓷有時會出現自修復現象，以恢復機械性能。在陶瓷的情況下，可以使用各種不同的自愈方法。

4. 金屬：金屬的自愈特性不如其他類別的材料發達。研究人員目前正在計算機上研究該過程，并開發出可能的自修復金屬設計模型。

自我修復的方法

可以采用幾種方法在工程材料中實現自我修復。這些方法的不同之處在于抓住修復功能的機制不同。可以修復的損壞程度，過程的可重復性和恢復率也取決于所采用方法的類型。自我修復的方法可以大致分為兩類：

1. 內在的自我修復：當不需要外部試劑進行材料修復時；

2. 外在的自我修復：需要外來物質觸發修復過程時。

在隨后的部分中的討論將集中在自愈聚合物和水凝膠上。

內在的自我修復

聚合物有時在基質中具有固有的可逆鍵。當材料受損時，這些會觸發愈合過程，這種方法稱為內在自愈[3]。可以通過以下途徑實現：

• 熱可逆反應

• 離子鍵偶聯

• 分子擴散

圖3：通過不同方法實現的內在自我修復[3]。

外在自我修復

在外在的自我修復方法中，使用微囊或血管系統將治療劑從聚合物基質中分離出來。當材料損壞時，這些物質被釋放，以促進對象的愈合和恢復特性[3]。這些系統可以細分為以下類別：

1.基于膠囊的自我修復：在某些聚合物中，治療劑包裝在離散的膠囊中。當材料損壞時，膠囊中的內容物被釋放，愈合過程開始。由于這些膠囊的生產易于工業化，因此可以使用許多封裝技術。為了使材料愈合到可接受的水平，應提供足夠的愈合劑來填充裂縫。膠囊的重量分數和尺寸是根據材料可能會經歷的近似裂紋尺寸確定的。基于膠囊的自我修復中涉及的其他關鍵因素包括：

• 愈合劑與基質之間的粘附力

• 愈合劑的濃度

• 釋放速率和聚合速率

• 膠囊殼厚度

圖4：基于膠囊的自愈材料的示意圖[3]。

2.血管自我修復：通過這種方法，將治療劑存儲在相互連接的毛細管或空心通道網絡中。這些毛細血管通常是脆性的，損壞會迫使治療劑脫離。使治愈劑在母體材料的工作溫度附近流動是必要條件。真空輔助技術用于用愈合劑填充互連的血管系統。幾個參數，如管材料，厚度，和空間分布是關鍵的，以確保高的愈合效率。

圖5：基于血管的自愈材料的示意圖[3]。

評估愈合情況

開發自我修復材料的主要目的是克服材料在其正常運行過程中遭受的損壞。這可以通過填充損壞的體積并重新形成斷裂的鍵以恢復性能，特別是機械性能來實現。

• 治愈效率的量化：許多參數可用于量化治愈的有效性。材料特性（主要是機械特性）的變化比率是最常用的因素之一。

• 母體材料的機械性能通過動態力學分析（DMA）和原子力顯微鏡（AFM）等技術進行表征。試樣斷裂，并進一步表征和記錄機械性能。然后將這些用于量化材料的愈合效率。

應用及未來前景

可以輕松想象自愈材料的各種應用。世界各地的工程師和設計師都逐漸意識到它們的好處，并開始將它們用于各種應用。它們目前用于從日產的耐刮擦涂料到自修復混凝土的各種應用。

受成骨細胞促進新骨形成的啟發，代爾夫特理工大學的荷蘭科學家開發了自愈混凝土[5]。他們用能夠產生石灰石的細菌的膠囊包埋混凝土。裂紋的產生使細菌暴露于空氣和濕氣中，繼而開始產生方解石。這甚至可以密封微裂紋，從而防止其可能的增長。這只是材料的自愈特性可以解決一個長期問題的眾多例子之一。

這些材料的潛在下一代應用是無限的。它們可以在機械故障后用于機器人的自我修復，延長電池壽命等。盡管如此，在我們將這些挑戰用于此類高級應用程序之前，仍然存在許多挑戰。隨著對這一領域知識的不斷增長，有一天我們甚至可能會開發出一種自我修復的材料，其功能就像虛構的漫畫人物金剛狼一樣。