在過去的10年中，人造皮膚研究取得了重大進(jìn)展，但即使是最有效的自我修復(fù)材料仍具有重大缺陷。有些因必須暴露在高溫條件下而無法實用，有些雖在室溫下可以愈合，但修復(fù)創(chuàng)口會改變其機械或化學(xué)結(jié)構(gòu)，所以其只能使用一次。最重要的是，還沒有出現(xiàn)一種自愈合材料具有良好的電導(dǎo)性。
近日，美國斯坦福大學(xué)的一個科研團隊研制出首個具有敏銳觸感且在室溫下能迅速、反復(fù)愈合的人工合成材料。此進(jìn)展或?qū)?dǎo)致更智能假肢或更有彈性的可自我修復(fù)個人電子產(chǎn)品的出現(xiàn)。該研究成果發(fā)表在11月11日《自然·納米技術(shù)》雜志上。
研究人員一直在竭力模仿人類皮膚的卓越性能，如皮膚的觸感(發(fā)送給大腦的關(guān)于壓力和溫度的精確信息)以及高效的自愈能力。斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系鮑哲南教授及其團隊成功地將上述兩項性能集成在單個合成材料中。
鮑哲南團隊經(jīng)由兩種成分的混合成功地達(dá)到了兩全其美的效果——塑料聚合物的自我修復(fù)能力和金屬的導(dǎo)電性。他們使用的塑料包含有氫鍵連接的長鏈分子，這些分子很容易打散，當(dāng)其重新連接時，氫鍵就能自我重組和恢復(fù)材料的結(jié)構(gòu)。
研究人員在這種彈性聚合物中添加了微小的金屬鎳顆粒以增加其機械強度。鎳顆粒的納米級表面是粗糙的，這對材料形成導(dǎo)電性至關(guān)重要。其每個突出的邊緣都聚集了一個電場，使電流更容易從一個粒子到達(dá)下一個粒子，從而使塑料聚合物具備電導(dǎo)性。
研究人員對該材料在受損后機械強度和導(dǎo)電性的恢復(fù)能力進(jìn)行了檢測。他們?nèi)∮帽畈牧喜⒅谐蓛砂搿⑵浞旁谝黄疠p輕按壓幾秒鐘后，材料可恢復(fù)其原始機械強度和導(dǎo)電率的75%;如果按壓30分鐘，材料性能的恢復(fù)接近100%。更重要的是，同一樣品可在同一個地方反復(fù)切削，經(jīng)過50次切削和修復(fù)，樣品的柔韌性和伸展度仍完好如初。
該團隊還探討了該材料的壓敏特性。電子在材料中形成電流的過程，類似于在石頭間跳躍越過小溪。鎳顆粒就扮演了石頭的角色，它們間的距離決定了一個電子需要多少能量從一塊石頭跳躍到另一塊。合成皮膚上的扭曲或按壓會改變鎳顆粒間的距離，也就改變了電子跳躍的難易程度。這些細(xì)微的電阻變化可被轉(zhuǎn)換成皮膚受到壓力和張力的信息。研究人員表示，該材料可探測到握手產(chǎn)生的壓力變化。
鮑哲南表示，該材料對下壓和屈曲都非常敏感，因此未來的假肢在關(guān)節(jié)處將有更好的彎曲度。覆有該種材料的電氣設(shè)備和電線也可自我修復(fù)，使電力維護變得不再困難和昂貴，尤其是在難以到達(dá)的地方，如建筑物墻壁或是車輛內(nèi)。研究團隊的下一個目標(biāo)是使材料更透明和更具彈性，以適于電子設(shè)備或顯示屏的包裝和覆蓋。
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