多功能性聚合物涂层在当今社会中有着举足轻重的地位。电子器件、车挡风玻璃和玻璃幕墙都需要透明的保护涂层，尤其是可折叠器件，涂层不仅要能抵御外部机械拉伸、冲击、弯曲和撕扭，还需要具有像玻璃一样的硬度对器件进行保护，如果还能有聚合物一样的柔性并且当表面涂层受到意外损坏后能自我修复就更好了。但要实现所有这些需求，面临着挑战巨大：首先如何制备具备刚性但又可“愈合”的聚合物？自修复材料依赖于链段的可移动性，必然造成刚性的损失。而向聚合物中填充刚性填料虽然会提升强度，但又会损失材料透明度。
万能材料的设计
基于此，中科院化学所赵宁研究员、深圳大学徐坚教授合作开发了一种具备刚性并且可快速修复的有机-无机杂化网络。这个聚合物网络包含氨丙基功能化的聚倍半硅氧烷和三乙胺。在此基础上，添加聚合物胶束，来制备具有优异透明度、硬度、柔韧性和快速自愈性能的涂层。其中含有SiO1.5单元、高度交联的聚（倍半硅氧烷）网络硬度高达0.83 GPa，超过大部分聚合物（< 0.3 GPa），甚至部分合金材料（ ~ 0.49 GPa）。强亲核试剂三乙胺能够阻断氨丙基和硅烷之间的氢键相互作用，使得氨丙基在网络中有更强的活动性。这些自由的氨丙基具有自催化功能，促进硅氧键的破坏和再形成，使得材料具备在普通环境中的自修复性能，涂层上~50 μm的划痕可在 4 分钟内自愈合。相关论文以“Superior Hard but Quickly Reversible Si–O–Si Network Enables Scalable Fabrication of Transparent, Self-Healing, Robust, and Programmable Multifunctional Nanocomposite Coatings”为题，发表在《JACS》上。
图1 在三乙胺存在下，聚倍半硅氧烷中Si-O-Si的可逆键合
集透明性、硬度、柔性、双亲性和自愈合性能于一体的新星
在此基础上，为了将刚性和柔性整合在一种材料中，作者将柔性的聚(3, 3, 3-三氟丙烷-甲基硅氧烷)（PTFPMS）胶束作为纳米填料加入到上述的聚合物网络中。聚合物网络提供硬度（0.83 GPa）而PTFPMS胶束提供杨氏模量（5.89 GPa）。硬度和杨氏模量的比值为14.1%，弹性回复率达到86.3%，实现硬度和柔性的完美融合。并且PTFPMS胶束能在聚合物网络中很好地均匀分散，材料的透光性仍能达到91%。同时，由于PTFPMS有较低的表面能，涂层有一定的抗污性能。即使自修复循环10次后，涂层的润湿性仍能能够成功恢复。
图2 制备的纳米复合材料涂层的透明性、硬度、柔性、双亲性和自愈合性能
多功能性的编辑集成
此外，这种有机-无机杂化材料与众多小分子、聚合物、纳米粒子都有很好的相容性。如与PVA、PDMS、二氧化硅纳米粒子等中的一种或多种共混形成稳定的复合物，控制添加量，而不损失材料本身的任何性能。
图3 多功能涂层的制备及应用
原文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.1c10455