如果你伤了你自己——且如果够幸运的话——你的皮肤将会在一个星期之内愈合。如果你的车撞到了墙上，或者车漆有划痕，则没有这么幸运了，你需要将其开到维修店进行维修。皮肤、骨头，或者具有生命的其他部分确实具有非常让人惊异的功能：它能感知损伤，并且能自动愈合。这真是太不可思议了！
如果金属、塑料、复合物或者其他日常常见的材料具有其一般的智能，那么这样神奇的景象很快就可以看见。从21世纪初科学家开始开发自愈材料，这种材料可以修复内部损伤，而不需要外部的帮助。那么这种材料究竟如何发挥作用呢？让我们来一探究竟。
来源：Dana Hill courtesy of US Air Force.
什么是自愈材料？
没有任何东西会持续永远，即便是自然界很坚硬的石头也无法跨越这样的规律。我们日常使用的材料会以一下三种形式失效：
老化：大多数材料会在使用一段时间之后发生退化。
磨损：大多数材料会在持续使用之后发生磨损。
断裂：一些材料会在外力条件下突然发生断裂。
对于材料学家而言，自发断裂是最危险的失效形式，也是最难追踪的。通过定期的检查和保养，我们很容易发现腐烂的木头或铁生锈，而要发现材料重要组成部分中的细小裂纹则是非常困难的。一些技术如无损检测等在例行检查期间容易发现潜在的问题，但是如果材料在实际是使用过程中发生断裂，这些技术就显得捉襟见肘。我们真正需要的是可以向人体一样的人造材料：能感知断裂，并能够及时进行阻止，然后尽快进行自我修复。这就是自愈材料的基本概念。
自愈材料的类型
首款自愈合材料是2001年由Scott White、Nancy Sottos及其同事制备的具有嵌入式内部胶粘剂的高分子聚合物。从那时开始，其他类型的自愈合材料也相继被发现。自愈合材料主要来源于四大类：White教授发明的康复剂型材料、具有人体血管功能的材料、形状记忆材料和可逆高分子材料。
内嵌康复材料
最知名的自愈材料已经可以放入微胶囊中，其中包含有可以修复损伤的胶水状化学物。如果材料在内部发生断裂，那么胶囊就会自动打开，并且将断裂出修复，使得断裂处自动愈合。它的工作方式就和胶水一样。当你将这些化合物混合在一起的时候，化学反应就发生了，并且会生成坚硬的胶粘剂。
来源： Quinton Russ courtesy of US Air Force
自愈合材料可以采用多种方式来使用这种胶粘剂，其中最简单的方法为释放胶黏剂，将断裂处材料连接在一起。稍有不同的是，该材料的主体部分是固体高分子，而胶囊包含有液态物质。当材料失效的时候，胶囊破裂，液态物质和高分子材料混合，则会产生更多的高分子材料，因此就可将断裂处愈合。类似地，化学催化剂则可以在相对低温低压的条件下使得反应发生。该方法最主要的问题是胶囊需要做到足够小，以至于其能进入断裂处，这就限制了其能恢复的断裂处。另外一个问题是，该胶囊只能愈合伤口一次，如果材料再次发生断裂，则其不能再发生作用。
微血管材料
微血管材料非常简单且高效，但是它有一个很大的缺点：由于胶囊材料愈合而使得原材料结构不连续时，其很有可能会增加失效的风险—这正是我们努力解决的问题。人体并不会采用这样的方式来修复自己：有临时修复材料随时等待在我们体内，当我们的皮肤或者骨头发生问题时，它们会及时进行修复。事实上，我们的体内有一个非常神奇的血管系统，它可以运送血液和氧气，以运送能量以及进行修复。当损伤发生时，我们的血液系统仅仅需要运送额外的资源到需要的地方就可以了。
科学家发明的这种自愈合材料具有相同的工作原理。一些材料具有非常细小的血管，可以运送愈合材料。该血管可以进行加压。当断裂发生的时候，该压力可以在管道尾部释放，从而可以将愈合材料运送至需要的地方。虽然这种方法可修复的断裂处比胶囊法多十倍，但是其速度却更慢，由此产生的问题是如果断裂的速度比愈合的速度快，那么这种愈合方式则没有实际效果；但是如果断裂发生的时间特别长，那么这种方式则是非常好的选择。
形状记忆材料
大多数人了解形状记忆材料的方式是通过日常生活中常见的一些物品。例如镍钛合金制备的眼镜，当释放压力后，其会恢复到初始形状。通常情况下，形状记忆过程比这个要复杂得多；例如你需要对其进行加热，从而使其恢复到初始形状。自愈形状记忆材料因此需要一些机制来运送热量到需要的地方。在实际应用中，这可能是类似于自愈材料的光纤电缆等，其不同之处在于，这些管道可将激光和热能运送到断裂点。这使它们可回到最佳形状，从而有效减少损伤。那么这些管道怎么知道该将光线运送到哪里呢？当材料断裂时，光纤管道也会相应发生断裂，因此激光会运送到这发生泄漏的地方。或许你会说光线的引入会是材料变得更脆弱，事实上它们能使材料得到加强。具有这种功能的系统一般称之为自主自适应结构。
可逆高分子材料
高分子材料并不总是需要复杂的内部系统来完成内部修复，例如胶囊结构或者微血管系统等。通过光线或热量在通电状态下时，系统中的杂散片段会在静电力的存在下组成在一起，从而有效地逆转损伤和修复材料。有时候，你需要用来修复材料的能量或许只是一点热量。塑料一般包括两种形式，一种是相对容易融化、回收并形成新的形式，例如PVC，聚乙烯，聚丙烯等属于这一类；其他类型则不一样：当你对其进行加热的时候，它们会在融化前发生降解，因此你不能对其进行加热，三聚氰胺和酚醛塑料就属于这一类。这表明我们可以使用热塑材料作为自愈合材料。
那么在实际情况下这又是怎么进行的呢？热塑材料可以被设计成这样：一旦他们发生断裂或者损害，然后进行加热，这种高分子材料则会发生降解。而当冷却下来时，其又会恢复到以前的状态，从而修复损伤。该种材料已经通过子弹测试。被射击到的地方获得足够的能量发生融化，从而使得高分子材料可以将材料重新愈合在一起。
来源： TSgt. Val Gempis courtesy of US Air Force and Defense Imagery
自愈合材料前途在何方？
不难想象，自愈合材料将具有非常广泛的应用前景，从桥梁、建筑到汽车等方方面面均有可能。第一款可大量进行生产的自愈合材料将是涂层等，可更好地适应天气变化等。其他更加先进的自愈合材料也将出现，例如具有自我修复密封件和垫圈的管道等。将来有一天，我们甚至会拥有可以修复人体部位的材料出现，倘若真能实现的话，这将会是真正意义上的完整的循环。期待科学家能重塑自然！
新材料在线编译整理——翻译：杨超 校正：摩天轮
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