一种可以自我修复的“高级塑料”

人类可以发明出自我修复的塑料吗，如果已经老化的塑料可以自我修复那个多好。最近，这方面取得了进展。科学家已经开发出一种新的塑料，可以修复内部的“疲劳”。这种塑料它在自我修复中会需要一些氧气，比较有意思的是，一旦这种塑料修复完成，它随机还会产生一些“排泄物”。据说这种新塑料已用于特定产品。

到目前为止，我们日常生活中使用的塑料容易老化，产品寿命短。抗老化材料的制造一直是科学家们追求的目标。就塑料而言，尽管已经做了许多改进，但目前使用的塑料寿命最多为10年。研究者们相信，假如塑料材料的自我修复功能一旦成功，它也许可以对未来的材料产生比较深远的影响。

塑料强度的秘密

世界塑料可分为三大类：通用塑料、工程塑料和超级工程塑料。一般塑料包括聚苯乙烯、聚乙烯和氯乙烯，用于制造日用品，使用寿命为5~6年。工程塑料包括聚碳酸酯、聚酰胺和聚甲醛，通常用于制造汽车零部件、电气和电子产品，价格一般高于普通塑料，使用寿命约10年。超级工程塑料仅用于特殊环境。它们主要用于航空航天产品。它们价格昂贵，使用寿命长达100年。

我们一般使用的普通塑料为什么寿命比较短呢？那是因为普通塑料内部会产生“疲劳现象”那么，“疲劳”是如何发生的呢？

塑料是由碳、氢和氧组成的纤维聚合物。这种聚合物的纤维复杂地复合在一起，这是塑料作为固体的强度。在普通塑料中，每种纤维大约在7个位置进行复合，以确保塑料的安全强度。

塑料的老化是由纤维切割引起的，纤维切割是由太阳紫外线或人们在使用过程中施加的外力引起的。假设七根纤维在中间断裂，一根纤维变成两根纤维。这种反应过程称为塑料的老化。

你可能会有这样的经历：暴露在阳光下的塑料桶装满了水。就在你想提起它的时候，你只听到嘎嘎声，把手被塑料桶打碎了。这种情况可以说是每根纤维都已断裂多次。通常情况下，随着使用时间的延长，塑料会变得更严重。因此，一些紫外线吸收剂被添加到正在加工的产品中以抑制老化，或者产品涂有油以抵抗老化。尽管如此，老龄化仍在继续。

科学家开发的“自愈性塑料”能够自动连接断开的聚合物，以消除老化。其实呢，这并不意味着这种塑料的寿命超长，但是它和普通的塑料相比，其老化的速度相当地慢，使用的寿命也会明显增长。

橡皮膏与修补剂

早在1997年，材料科学家们首次研发了一种“自愈塑料”，这种材料叫作“聚苯醚”。成功的关键是开发用于急救的“软膏”和用于伤口治疗的“修复剂”。修理的原理很简单。首先，假设在一些外部因素的作用下，负责分子结合的电子交错排列，导致聚合物被切断，自由电子出现，并开始老化。因此，预先放置的修复剂接近这个自由电子。在这种材料中，铜元素则起着“修复剂”的作用。起初，铜以2价态存在（缺少2个电子）。当它从断开的部分得到一个电子时，它变成了一价。简单地来说，通过这样的氧化又还原的反应，那些中断的部分就会恢复到原始的状态。在这个时候，氢作为“石膏”是很重要的。为了提供氢气，使聚苯醚具有自愈能力，提前在聚苯醚中设置了“氢气供应商”。当断裂发生时，氢进入断开部分产生的自由电子进行键合。

如果不对供氢剂进行紧急处理，聚苯醚聚合物中可能会出现“以牙还牙”的现象，因此到处都会产生自由电子链，这可能会造成材料的“伤痕”。

自我修复不可或缺

自愈已经结束，但反应仍在继续。电子变成一价铜，并在大气中继续与氧气氧化。此时，氧得到一个电子，铜返回到价态2，并再次获得充当“修复剂”的能力。此外，由反应产生的氧单体和“软膏”的氢离子的组合产生的水作为废物“排出”。每克聚苯醚修复产生的水量为几百微克。这种修复“应变”系统的定期循环对于自我修复是必不可少的。

科学家们还成功地为聚碳酸酯和其他材料构建了自愈系统。这个“聚碳酸酯”它的修补剂是“碳酸钠”。这时，它是石碳酸（苯酚）的排泄物，而且气味很难闻。排泄物的出现是材料修复过程中非常有趣的事情。事实上，它不能通过改善而排泄。例如，在聚碳酸酯材料中添加充当垃圾桶的物质。具体来说，如果添加碱性微硅胶，则碳酸将被硅胶吸附，垃圾不会释放。然而，反应产生的物质已成为另一个问题，研究仍在进行中。目前，科学家们正全力以赴地建造其他塑料的修复系统。

或许诞生一门全新学科

现在我们知道，上述材料的自愈合是通过催化剂（如铜）在受伤部位的作用完成的，但塑料是固体。像铜这样的原子或分子真的能流到断裂处吗？许多研究人员认为，催化剂不能流向固体中的断开部分，但一些专家认为，催化剂存在于5~10nm区域会导致自愈反应。

对于一些化学的反应条件，大多数的人都认为它只能溶于水或者变成气态，这一常识阻碍了对自愈反应的理解。其实，“材料的自我修复”引起的化学反应和一般的化学反应不太一样，也许这是一个新的科学领域，需要进一步的理论研究。

此外，在这项研究中，科学家还发现，自愈反应优先发生在最老化的部位。一旦聚合物的断裂部分增加，就会引起更多的修复反应。因此，应优先修复严重老化的零件。因此，专家们开始将研究方向转向延长塑料的使用寿命。

自2000年以来，日本约有10家企业推出了以自愈塑料为原料的产品。这些产品主要是电化学产品，因为这些产品经常暴露在光线下，容易老化。此外，使用自愈塑料后，汽车零部件的使用寿命显著延长。

自我修复延伸寿命

科学家预测，在未来，不仅塑料，而且包括金片和陶瓷在内的所有人造材料都可能具有自我修复能力，并能独立处理老化问题。在材料研究中，所谓的“自愈”概念以前就存在过，但我们从未见过真正的物体。科学家们创造了一个真实的物体来证明“自愈”是可能的。因此，科学家们对各种材料的自我修复进行研究。如果每天使用自愈材料，或许很快，自愈将被用作产品的标准，因为产品的使用寿命显著延长，产品的可靠性和性能得到提高。

今天地球上的资源日益减少，有效使用“自愈材料”这样就可以有效地延长商品的寿命，在另外的方面，这样也可以解决比较严重的环境。