會「報警」的材料：讓細微破損看得見

高分子材料是當今生產生活中不可缺少的材料之一。雖然使用廣泛，但是一大缺點就是容易受到破損。即使是非常微小的破損，它也會逐漸蔓延、擴展開來，最終很可能導致材料的整體性能顯著下降而無法正常使用。一個典型的例子就是金屬表面的保護漆，微小的破損也會導致內層的金屬難以抵擋腐蝕。所以，通過簡單的方式觀察到材料的細微破損意義重大，這在航空航天材料、尖端工程材料的設計中尤甚。

針對這個問題，材料科學家們也曾提出各種解決方案：如利用具有開關效應的熒光、機械力響應的化學基團等。總體來講，這些方案多出現「假陽性」，或是難以保證材料的長期穩定性。為了解決上述難題，美國UIUC的Nancy R. Sottos領導的課題組最近利用包埋囊泡的方式發明出一種可進行「破損示警」的高分子材料。

（說明：右上圖：具有「破損示警」效果的環氧樹脂塗層的光學照片，劃痕處顏色明顯。左上圖：普通環氧樹脂塗層的光學照片，劃痕處難以辨別。中圖：該「破損示警」塗層從左至右分別刻有深度逐漸加深的五道劃痕，劃痕越深，顏色越明顯。下圖：對中圖中標有123標誌的局部放大圖像。）

研究者使用的原理是將「示警分子」二氯熒光黃 (DCF)預先包裹在高分子囊泡中，再將這種囊泡通過特殊的加工方式分布於氨基環氧樹脂塗層之內。在正常的條件下，高分子囊泡將DCF與氨基環氧樹脂彼此隔離開來。而一旦塗層受到破損，DCF與氨基環氧樹脂接觸產生化學反應，伴隨產生顏色變化，以此進行「破損示警」。這種材料最低可以顯示出寬度低達10微米的劃痕破損。

（說明：上圖：溶液內，DCF分子在鹼性條件下變為開環形式，顏色由黃色變為紅色。下圖：囊泡法「破損示警」環氧樹脂塗層的作用原理。）

研究者長時間跟蹤了該材料的性能，證明即使將其放置八個月，材料依舊可以發揮其作用。另外，研究者改進了製備策略，使得塗層材料不局限於氨基環氧樹脂。比如在非鹼性的塗層材料之中，同時植入分別含有DCF分子與一級胺分子的膠囊，同樣可發揮上述作用。

這種材料性能已經足夠震撼，不過，研究者似乎還有更大的野心。他們希望在後續的研究中，使這種材料兼具「破損示警」與自動癒合功能。能否實現，讓我們拭目以待。

參考文獻：

Li, W.; Matthews, C. C.; Yang,nK.; Odarczenko, M. T.; White, S. R.; Sottos, N. R., Autonomous Indication ofnMechanical Damage in Polymeric Coatings. Advanced Materials 2016, 28n(11), 2189-2194.

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