想象一下，在穿刺后可以愈合的輪胎或者不會(huì)折斷的橡膠。哈佛約翰•保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員開發(fā)了一種與天然橡膠相似的橡膠，它是一種可以自我修復(fù)的新型橡膠。

自愈橡膠連接永久共價(jià)鍵（紅色）與可逆氫鍵（綠色）

自愈材料的概念不是新的 -  SEAS的研究人員已經(jīng)開發(fā)了自愈水凝膠，它是依靠水來摻入可以促進(jìn)愈合的可逆鍵。然而，干燥材料（如橡膠）的工程類材料的自愈性能一直被認(rèn)為是一個(gè)挑戰(zhàn)。這是因?yàn)橄鹉z是由共價(jià)鍵連接而成的聚合物制成的。雖然這些化學(xué)鍵是非常強(qiáng)大的，但一旦被破壞，他們永遠(yuǎn)不會(huì)重新連接。為了賦予橡膠自愈性，團(tuán)隊(duì)需要使連接聚合物的鍵可逆，從而可以破壞然后再修復(fù)。“以前的研究使用可逆氫鍵連接聚合物以形成橡膠，但是可逆的鍵本質(zhì)上弱于共價(jià)鍵。”SEAS博士后研究員蔡先生表示。 “這提出了一個(gè)問題，我們可以合成堅(jiān)固而且還能自我修復(fù)的化學(xué)鍵嗎？

蔡先生與中國四川大學(xué)客座教授吳金榮，以及SEAS物理與應(yīng)用物理教授資深作家David Weitz研究開發(fā)了一種具有共價(jià)鍵和可逆鍵的混合橡膠。蔡氏理論中提出了混合共價(jià)鍵和可逆鍵以制備堅(jiān)韌的自愈橡膠的概念，但從沒有發(fā)表出來，因?yàn)楣矁r(jià)鍵和可逆鍵不易混合。 “這兩種類型的化學(xué)鍵本質(zhì)上是不混溶的，如石油和水，”蔡先生說。

因此，研究人員開發(fā)了一種分子繩來將這兩種類型的分子結(jié)合在一起。這種稱為無規(guī)支化聚合物的繩索允許兩個(gè)先前分離的鍵在分子尺度上均勻混合。這樣，研究人員就可以合成出一種透明、堅(jiān)韌并且具有自愈性的橡膠。

在橡膠上施加力時(shí)，普通的橡膠超過應(yīng)力點(diǎn)后會(huì)逐漸開裂。相比之下，當(dāng)新型混合橡膠被拉伸時(shí)，它會(huì)在整個(gè)材料上形成所謂的裂縫，其特征與裂紋相似，但是通過纖維束連接。這些裂縫會(huì)均勻的分配收到的力，所以沒有壓力點(diǎn)可以導(dǎo)致橡膠開裂。當(dāng)壓力釋放時(shí)，材料可以回復(fù)到原來的形式，并且逐漸地愈合。

這種自愈能力將可以應(yīng)用于各種各樣的橡膠制品。吳先生說：“想象一下，我們可以用這種材料作為橡膠輪胎的組成部分。如果你的輪胎被刺穿，那輪胎也不用馬上就被替換，而是開車時(shí)會(huì)自動(dòng)修復(fù)，讓你有足夠的緩和余地，以免造成嚴(yán)重的傷害。”哈佛技術(shù)開發(fā)辦公室已經(jīng)提交了該技術(shù)專利申請，正在積極尋求商業(yè)化的機(jī)會(huì)。

“還有許多的事要做，對(duì)于材料科學(xué)，尚不完全了解為什么這種混合橡膠在拉伸時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋；對(duì)于工程而言，利用其特殊組合的光學(xué)透明度、韌性和自愈能力的混合橡膠的應(yīng)用仍有待探索。此外，使用分子設(shè)計(jì)來混合共價(jià)和可逆鍵以產(chǎn)生均勻的混合彈性體的概念是相當(dāng)普遍的，并且應(yīng)該能夠開發(fā)出實(shí)際使用的韌性、自愈性聚合物。”威茨說。