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2014-09-01能夠自我修復的材料—自癒性高分子
537 期
Author 作者
高憲章／任職淡江大學化學系。
哇！魔鬼終結者受傷了，不要緊，一下子就能夠自己修復，這個大反派終結者真令人印象深刻。有這種即使切開，都能回復成原本狀態的材料嗎？透過高分子化學的研究，己經有了實現的可能！
高分子材料繁複多變，可以經由單體的選擇、聚合的程序、交聯的反應等微調條件，得到各種不同的特性，更常利用共聚或是與其他材料組成複合材料，讓材料的特性更佳、更強。應用在各種領域上，不論日常用品或高科技的電子、醫療、航太各種工業上，高分子材料的使用，已經大大的超越了傳統材料。高分子材料結構層次多且複雜，主要是以超長的碳鏈所構成的結構，在強化高分子各種功能的研究中，最有趣也是難度最高的一種，就是讓這個材料具有自我修復的能力。
《魔鬼終結者第2集》（Terminator 2: Judgment Day ），是1991年的美國科幻動作電影，裡頭有一個先進新型的終結者T-1000，是可以任意變形偽裝的液體金屬機器人。這個反派角色，是由一種特殊的合金材料組成，可以在液體與固體間任意變換為任何接觸過的人，並在受到攻擊後，具有自動恢復的驚人能力。
自我修復的挑戰
如何讓一個材料能夠在損壞的時候自動修復？在高分子材料的原理上，這個挑戰似乎是非常簡單。既然高分子材料都是從單體經過聚合而成，那麼只要高分子材料內保有單體分子，必要時再讓它進行聚合反應，破損的地方就能夠被修復，這個看似簡單的道理，在材料科學上，卻是個幾乎不可能的任務。
高分子材料在聚合前的原料是單體（monomer），都是分子量很小的小分子，其熔點和沸點也都很低，常是氣體或液體，化學性質的穩定性極差，更談不上有剛性之類的力學物理特性，要把它裝填在材料內，除了必須避免影響材料本身的性質，更需要考慮到安全性。以我們常用的保鮮盒為例，主要的材質是聚丙烯（polypropylene）。聚丙烯是由丙烯（propylene）所聚合而來，在常溫下丙烯是氣體，具有揮發性且極易燃，即使我們希望保鮮盒受到磨損後自己修復得晶瑩剔透，但是我們卻不可能讓任何丙烯殘留在保鮮盒的材料中；因此把高分子材料聚合前的單體保存在材料中，以便重新起始聚合反應，是一個非常困難的挑戰。
即使科學家成功的把單體安全的儲存在材料中了，我們將面臨第二個大問題。有句話說：凡事起頭難，我們該如何讓聚合反應開始？雖然用來聚合為高分子的單體，反應性可能比金屬或陶瓷略高一些，但是聚合反應在常溫常壓下並不容易自動發生。同樣以「聚丙烯」材料為例，即使在一個密閉空間內讓丙烯的濃度提高，這些丙烯分子並不會自動的聚合成聚丙烯；再者，大部分的聚合反應，都需要有催化劑的參與，以提高聚合反應的速度與控制聚合後產物的均一性，因此我們可以發現，催化劑的存在，對於許多聚合反應都是必要的。既要裝有單體作為反應物，又要含有催化劑，這使得自我修復材料的開發，難度更加提高。
我們常用的保鮮盒就是由分子量很小的小分子（丙烯）聚合而成的高分子材料 （聚丙烯）。
然而，換個化學鍵角度來看，如果不動用聚合反應，可以靠用其他反應嗎？所謂「自我修復」能力，簡單的說，就是材料受到外力後產生的微創（micro-fracture）能夠被回復；從微觀的角度來看，修復功能就是重新架構這些受到破壞的化學鍵。 ……【更多內容請閱讀科學月刊第537期】