具有優異機械強度和高愈合效率的自愈材料，將在眾多領域中具有廣泛的應用前景，然而，他們的制造是極具挑戰性的。近日，來自四川大學的張新星等研究者，受生物軟骨的啟發，通過在樹枝狀單寧酸修飾的WS2納米片和聚氨酯基體之間的界面上結合高密度非共價鍵，實現了一種超堅固的自愈合材料，從而共同產生強的界面相互作用。相關論文以題為“Ultrarobust, tough and highly stretchable self-healing materials based on cartilage-inspired noncovalent assembly nanostructure”發表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21577-7

近年來，高強度、自愈性和延展性的材料，越來越多地應用于電子皮膚、可穿戴電子設備和人造肌肉等領域。通過交聯聚合物鏈的動態鍵的可逆性，來實現聚合物損傷的愈合，延長使用壽命的同時，提高了功能器件的可靠性和耐久性。然而，單個非共價鍵制備的自愈合材料強度較低，特別是強度通常小于3.0 MPa的自愈合水凝膠和彈性體。因此，獲得具有高延展性、優異機械強度和高自愈能力的柔性復合材料一直是一個挑戰。

目前，由于非共價鍵的強度低，填料與聚合物基體之間的界面相互作用弱，大多數自愈材料的抗拉強度限制在10.0 MPa以內。在高分子材料中，引入多種動態鍵的方法，是為了解決制備高性能自愈合材料的折衷問題。但制備的大多數自愈材料，其機械強度仍然較低，不能滿足結構材料的要求。

在自然界中，動物軟骨組織滿足上述對結構材料的要求，具有較高的機械強度和損傷后一定的自愈能力。人體軟骨組織，由膠原細胞和細胞間物質組成（圖1a）。軟骨基質中蛋白多糖分子的側鏈通過氫鍵與膠原纖維連接形成網狀結構，大量膠原纖維交織成網狀結構，可承受較高的受力（圖1b）。因此，這種具有強超分子相互作用的層次結構，使軟骨具有機械強度和韌性。然而，由于它是剛性網絡和軟基體的宏觀組合，上述復合材料很難具有高拉伸性能。

圖1 軟骨型聚氨酯復合材料的納米結構設計。

近年來，超薄二維二硫化鎢（WS2）納米材料，因其優異的物理和化學性能而受到廣泛關注。但其剛性大，與彈性體基體界面相互作用差，難以在柔性智能驅動裝置中充分發揮作用。自然界生命系統的器官和組織結構，給材料的結構設計，提供了寶貴的靈感。將高性能材料與合理的仿生結構設計相結合，是開發智能材料和柔性器件的通用策略。

首先，研究者提出了一種基于軟骨的微尺度/納米尺度組裝方法，基于非共價鍵驅動的二維納米片自組裝成交織網絡，來制備超堅固的自愈合材料。網狀交織形成的納米復合材料，具有優異的抗拉強度（52.3 MPa）、高韌性（282.7 MJ m-3，是蜘蛛絲的1.6倍，金屬鋁的9.4倍）、高拉伸性能（1020.8%）和良好的愈合效率（80-100%），顛覆了以往對傳統非共價鍵自愈材料的認識，即高機械穩定性和愈合能力是相互排斥的。此外，該界面超分子交聯結構，使所合成的柔性智能驅動裝置，具有功能愈合能力。

圖2 結構和成分表征。

圖3 機械和自愈性能。

圖4 近紅外光驅動和自愈性能。

綜上，研究者通過在界面上加入高密度的非共價鍵，使TA-WS2納米片的編織網絡與PU基體共同產生強大的粘附力，開發了一種軟骨激發的超堅固自愈合材料。TA-WS2二維納米片的交織網絡，類似于膠原基質中的膠原納米纖維交織成網狀受力，使材料具有較高的延展性、魯棒性和自愈性。

該材料的微尺度/納米尺度結構設計和高性能，使其在人造肌肉中的應用前景廣闊，與此同時，本文提出的設計概念，可能代表了一種制備高強度功能材料的一般方法。