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伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員從生物循環(huán)系統(tǒng)(如血管或樹上的葉子)中汲取靈感，十多年來一直致力于開發(fā)血管化結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，創(chuàng)造出重量輕、能夠自我愈合和自我冷卻的材料。

但現(xiàn)在，研究團隊通過利用現(xiàn)成的樹脂進行前端聚合，將兩天的制造過程縮短到大約兩分鐘。

在過去的幾年里，我們一直在尋找用高性能材料制造血管網(wǎng)絡(luò)的方法，相關(guān)人員說，這是一個真正的突破，在結(jié)構(gòu)材料中制造血管網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了大量時間和能量。

相關(guān)人員說，理解他們工作的最簡單方法是描繪出一片樹葉的組成及其內(nèi)部通道和結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在，想象一下葉子是由一種堅硬的結(jié)構(gòu)材料制成的;在內(nèi)部，流體通過不同的噴口和管道相互連接的血管。在研究人員的復(fù)合材料中，這種液體具有多種功能，如在極端環(huán)境下冷卻或加熱。

相關(guān)人員說，我們希望創(chuàng)造出類似生命的結(jié)構(gòu)，但我們也希望通過采用一種生物學(xué)普遍使用的方法，與現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施相比，它們能在更長的時間內(nèi)保持性能。樹木擁有從地面運輸營養(yǎng)和水的網(wǎng)絡(luò)，克服重力，并將合成食物從葉子運輸?shù)綐淠镜钠渌糠?。液體在兩個方向流動，以調(diào)節(jié)溫度，生長新材料，并修復(fù)現(xiàn)有材料的整個生命周期。我們試圖在非生物系統(tǒng)中復(fù)制這些動態(tài)功能。

然而，對于自動材料系統(tǒng)集團來說，創(chuàng)建這些復(fù)雜的材料一直是一個漫長而艱巨的過程。在之前的自我修復(fù)材料的研究中，研究人員需要一個熱烤箱，真空，至少一天的時間來創(chuàng)造復(fù)合材料。漫長的制造周期包括固化宿主材料，隨后燃燒或汽化犧牲模板，留下中空的血管網(wǎng)絡(luò)。索托斯說，后一個過程可能需要24小時。血管網(wǎng)越復(fù)雜，移除就越困難和耗時。

為了創(chuàng)造主體材料，科學(xué)家們選擇了正面聚合，這是一種反應(yīng)-熱擴散系統(tǒng)，利用熱的產(chǎn)生和擴散同時促進兩種不同的化學(xué)反應(yīng)。熱量是在主體凝固過程中在內(nèi)部產(chǎn)生的，剩余的熱量分解了嵌入的模板，從而制造出血管材料。這意味著研究人員可以通過將兩步結(jié)合為一步來縮短過程，在沒有烤箱的情況下創(chuàng)建血管網(wǎng)絡(luò)和聚合宿主材料。此外，新工藝使研究人員在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)時擁有更多的控制權(quán)，這意味著這種材料在未來可能會增加復(fù)雜性和功能。

相關(guān)人員說，通過這項研究，我們已經(jīng)弄清楚了如何通過前端聚合來推動血管化來植入血管網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在只需幾分鐘，而不是幾天，而且我們不需要把它放進烤箱。

串聯(lián)聚合和血管化這兩個過程讓科學(xué)家們可以在幾分鐘內(nèi)創(chuàng)造出自我修復(fù)的結(jié)構(gòu)材料。

當(dāng)堅固的材料在持續(xù)的損傷下保持功能時，比如摩天大樓的建造，自愈材料可以是有益的。但在研究人員的案例中，最有可能的應(yīng)用是飛機、宇宙飛船，甚至是國際空間站。研究人員解釋說，以這種方式生產(chǎn)的材料可以在5到10年內(nèi)商業(yè)化生產(chǎn)，盡管研究人員指出，所有所需的材料和加工設(shè)備目前都已商業(yè)化。

從計算的角度來看，研究人員解釋說，他能夠捕獲在犧牲模板中發(fā)生的前沿聚合和吸熱相變。

他說，我們進行了適應(yīng)性、瞬態(tài)、非線性有限元分析，以研究這種競爭，并確定凝膠同時進行前沿聚合和血管化的條件。這項技術(shù)將帶來一種更節(jié)能、更快速的方法來創(chuàng)建具有復(fù)雜微血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料。

由于該團隊跨學(xué)科的發(fā)現(xiàn)，動態(tài)多功能材料現(xiàn)在比以往任何時候都更容易制造。

相關(guān)人員說，這項研究是實驗工作和計算工作的結(jié)合。這需要來自化學(xué)、工程和材料科學(xué)等不同學(xué)科的團隊成員進行同步溝通，以徹底改變傳統(tǒng)的非可持續(xù)制造策略。

相關(guān)人員補充說，集團多年來一直在研究鏈解聚反應(yīng)。當(dāng)我得知團隊認識到在熱演化聚合反應(yīng)中產(chǎn)生的熱能可以與另一種材料的鏈解聚合同步，以制造通道時，我很高興。