您当前浏览器版本过低,为了不影响您的使用,建议您使用最新的谷歌浏览器、火狐浏览器、 360浏览器,更换浏览器后使用更流畅!(注意!双核浏览器请切换为极速模式)
工信部人工智能赋能中小企业典型应用场景案例(科研领域)

吉林大学,Nature Materials!

2025-12-10
6313

艾思科蓝官网-版头.gif


640 (75).png


研究背景


材料的疲劳和机械损伤在实际应用中是不可避免的挑战,特别是在极端温度、压力和辐射等条件下,材料性能会急剧恶化。低温条件通常会严重损害材料性能,导致脆性增加,并大幅降低抗疲劳性和机械损伤容限。因此,在航空航天、深海探索和极地研究等专业领域中,迫切需要开发能够在极端低温条件下自主修复的材料。


关键问题


目前,自愈材料的研究主要存在以下问题:

1、现有自愈合机制的局限性

常见的自愈合机制依赖于化学实体在裂缝间的扩散来重建界面,由于扩散受温度控制,低温条件对自愈合具有抑制作用。低温会显著降低分子迁移率和化学动力学,从而削弱自修复的有效性。

2、极端温度范围研究的不足

以前对自愈合材料的研究主要集中在常温或高温条件下,而对低温自愈合行为的研究仍然有限。目前尚缺乏在涵盖低温和高温的宽泛温度范围内对自愈合性能进行系统评估的研究。


新思路


有鉴于此,吉林大学张红雨教授联合纽约大学阿布扎比分校Panče Naumov教授等人报道了一种分子晶体,它不仅能在常温和高温(298 K和423 K)下愈合,而且还能在77 K下实现自主恢复。这一过程的效率依赖于偶极-偶极相互作用作为主导机制,从而减少了界面之间的分离。对比光学透射测量证实,愈合后的晶体透明度约为开裂前相同材料的99%。这种低温自愈合能力被用于设计一种可自主修复的全有机晶体光传输系统,并且由于材料受损后具备恢复能力,使其能够大幅恢复光学损耗。这种材料以及可能存在的其他类似材料克服了大分子自愈合介质在低温下的固有局限性,为开发在极端条件下能够实际无限期运行的材料开辟了机遇。


技术方案:

1、研究了有机晶体的自愈合行为

PBDPA晶体可吸收可见光并发出亮黄色荧光,具有快速和渐进式自愈合能力,且在77 K至423 K宽温度范围内自愈合性能稳定。

2、实现了自愈合从表面到内部的可视化

研究人员用SEM、AFM和CLSM分析PBDPA晶体自愈合机制,发现完全愈合区域表面和内部结构恢复完整,不完全愈合区域有残余裂缝或错位。

3、解析了晶体自愈合机制

PBDPA晶体自愈合时恢复有序结构且无相变。其分子具D–π–A–π–D结构,极性显著。晶体层间反平行排列产生偶极相互作用,是自愈合关键。

4、分析了PBDPA晶体的光学传输与损耗恢复

PBDPA晶体自愈合后,光学传输强度从34%恢复至99%,光学损耗系数接近原始值,展现强大光学性能恢复能力,为高性能光学材料应用提供广阔前景。


技术优势:

1、克服低温限制,实现了低温自主自愈

首次报道了在低温(77 K)下仍能实现自主自愈的有机分子晶体 (PBDPA),打破了传统大分子自愈合介质在低温下受分子扩散限制而无法工作的局限。

2、揭示了温度不敏感的偶极机制及光学应用

研究确定了偶极-偶极相互作用是驱动自愈合的主要机制,使得修复效率在77 K至423 K的宽温度范围内基本不受影响。利用此特性,成功设计了自主修复的光传输系统,损伤后的光学传输性能恢复率达到约99%。


技术细节


自愈合行为

PBDPA是一种通过溶剂-溶剂扩散法获得的透明橙色板状晶体,具有独特的光学和自愈合特性。它能够吸收可见光,在420 nm处达到最大吸收值,并发出570 nm处的亮黄色荧光。PBDPA晶体在受到外力破裂后,可自主愈合,无需外部操作。其自愈合行为有两种模式:一种是几乎瞬时发生的快速愈合,另一种是持续数秒到数分钟的渐进式愈合,后者类似于“拉链机制”,从界面较近的区域开始,逐步对齐两个表面,缩小间隙,使裂缝闭合。值得注意的是,PBDPA晶体的自愈合能力在77 K到423 K的宽温度范围内均能保持,愈合时间和速率几乎不受温度影响。这一特性使其在极端温度条件下仍能发挥自愈合功能,与传统自愈合材料相比,具有显著优势,展现出优异的自愈合性能和广泛的应用潜力。


640 (76).png

图  不同温度下PBDPA晶体的结构与自愈合


自愈合从表面到内部的可视化

研究人员通过多种显微技术全面评估了PBDPA晶体的自愈合机制。使用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)分析表面形态,发现完全愈合区域(A1)的SEM图像无可见裂缝,表明结构完整性恢复;AFM图像显示其表面拓扑结构与原始晶体无异,无裂缝残留。而在不完全愈合区域(A2),可观察到微小残余裂缝或错位。为评估晶体内部恢复情况,研究采用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)进行层切扫描,获得内部结构三维可视化。结果显示裂缝从表面延伸至内部,但完全愈合的晶体内部层面无明显裂缝痕迹。这些结果证实PBDPA晶体能够恢复表面和内部结构的完整性。


640 (77).png

图  室温自愈合晶体的表面形貌


自愈合机制

偏振光显微镜和微焦点X射线衍射(µ-XRD)分析表明,PBDPA晶体在自愈合过程中恢复了有序的晶体结构,且未发生相变。PBDPA分子具有D–π–A–π–D结构,包含吸电子的氰基和供电子的胺基,缺乏对称性,导致显著极性。静电势图显示氰基附近电势最负(–1.79 eV),双键区域电势较高(+0.91 eV)。晶体结构中,同一层分子完美对齐,相邻层分子反平行排列,这种排列使层间偶极-偶极相互作用产生静电吸引力,是自愈合的关键。理论分析表明,长程偶极-偶极相互作用在分子重新对齐和低温下高效自愈合中起关键作用。

 

640 (78).png

图  PBDPA的晶体结构和电子性质


光学传输与损耗恢复

PBDPA 晶体具有优异的光学传输性能。通过光学传输测试,研究人员评估了其自愈合能力对光学性能的恢复。在晶体严重开裂后,光信号的传输强度下降到原始状态的34%。然而,在室温下施加轻微挤压愈合后,传输强度增加,恢复到原始值的 99%。光学损耗系数(a)测量进一步证实了其强大的恢复能力。开裂前,a为0.156 dB mm-1;开裂后急剧增加到0.427 dB mm-1。愈合后,a值几乎完全恢复,达到0.162 dB mm-1,非常接近原始晶体的数值。这种高透明度和自主恢复能力的结合,为开发用于光学器件、柔性电子产品和极端环境光学系统的高性能、耐用有机光学材料提供了广阔前景。


640 (79).png

图  PBDPA晶体断裂后的样品制备及KPFM表面电位分布


640 (80).png

图  PBDPA晶体的光传输和损耗恢复


展望


本文成功展示了一种低温自愈合有机晶体PBDPA,它在77 K至423 K的超宽温度范围内仍能实现高效自主修复。通过结构分析,研究证实了其自愈合能力主要源于分子间偶极-偶极相互作用,该机制不依赖于分子扩散,因此对温度变化不敏感。PBDPA晶体在损伤后能恢复高达99%的光学传输性能,证实了其作为自主修复光学材料的巨大潜力。这项工作为极端和严苛环境下,下一代智能材料的设计和应用奠定了坚实的基础。


参考文献:

Ding, C., Tang, B., Zhou, Y. et al. Cryogenically self-healing organic crystals. Nat. Mater. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02411-7


艾思科蓝官网-版尾.jpg

已收藏 0
点赞 2

学术会议

【IEEE出版 | 广州大学主办】第八届国际科技创新学术交流大会暨通信、信息系统和软件工程学术会议(CISSE 2026)
IEEE会议,第八届国际科技创新学术交流大会暨通信、信息系统和软件工程学术会议(CISSE 2026)作为第八届国际科技创新学术交流大会分会场开展,定于2026年12月18-日在广州举办。
2026-12-18
【IEEE出版】第八届国际科技创新学术交流大会暨信息技术与计算机应用学术会议(ITCA 2026)
第八届国际科技创新学术交流大会暨信息技术与计算机应用学术会议依旧作为第八届国际科技创新学术交流大会的分会场开展,大会将于2026年12月18-20日在中国广州隆重举行。本次会议的目的是为信息技术
2026-12-18
【连续5年稳定EI检索|长江学者报告|高校主办|EI期刊同步征稿】第六届大数据、人工智能与风险管理国际学术会议(ICBAR 2026)
第六届大数据、人工智能与风险管理国际学术会议(ICBAR 2026)将于2026年12月10-12日在中国成都&澳门举行。进入21世纪以来,大数据、人工智能与风险管理科学的进步,推动了社会经济的繁荣发
2026-12-10
【浙江大学主办|连续4届EI检索|ACM出版|期刊发表】第五届人工智能与教育国际学术会议(ICAIE 2026)
第五届人工智能与教育国际学术会议(ICAIE 2026)将于2026年11月27日-29日在中国杭州举办,本次会议将围绕人工智能与教育等相关主题展开讨论,欢迎您投稿参会
2026-11-27
【交通类会议 | EI稳定检索】第二届交通安全国际学术会议(ICTS 2026)
第二届交通安全国际学术会议(ICTS 2026)将于2026年12月4-6日在淮安举行,会议将聚焦交通安全领域的前沿研究,为国内外专家学者提供一个高水平的学术交流平台。
2026-12-04
【即将截稿丨EI检索稳定丨重庆+线上】第五届信号处理、计算机网络与通信国际学术会议(SPCNC 2026)
第五届信号处理、计算机网络与通信国际学术会议将于2026年12月4-6日在中国重庆召开。会议主要围绕信号处理、计算机网络与通信等相关研究领域展开讨论,为相关学者提供国际性合作交流平台。
2026-12-04
相关资讯

7所高校,齐发Nature!

近日,上海交通大学、北京师范大学、电子科技大学、成都大学、南方科技大学、北京大学、中国科学院大学在Nature发文!

64290

39

2023-03-03

5所“双一流”,齐发Nature!

近日,山西大学、浙江大学、清华大学、复旦大学、北京大学的研究成果发表于Nature。

63579

20

2023-02-27

上海交通大学最新《Nature》

二维半导体莫尔超晶格为研究强关联和拓扑量子相提供了高度可调的平台。作为一个典型例子,扭转双层MoTe₂(tMoTe₂)已被证明在零磁场下承载分数量子拓扑相。然而,它们随扭转角的演化以及与其他关联量子态的竞争在很大程度上仍未被探索。

4044

821

2026-11-09

Science头条!阉割竟能大幅延长寿命,成年后操作效果更好,男性延寿的终极方法

Science头条!阉割竟能大幅延长寿命,成年后操作效果更好,男性延寿的终极方法

4946

4

2026-11-04

几天放纵餐,体重没增加,炎症却加重两倍!《Nature》发现发病前后 4 天的高脂饮食,留下持续半年的「免疫记忆」

几天放纵餐,体重没增加,炎症却加重两倍!《Nature》发现发病前后 4 天的高脂饮食,留下持续半年的「免疫记忆」

4618

3

2026-11-02

《Nature》最新调查:2026全球科研人员幸福感排名,中国倒数第一!

《Nature》最新调查:2026全球科研人员幸福感排名,中国倒数第一!

6626

5

2026-10-31
立即开启