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86名工人落水遭难、75人丧生！
1907年的一次大桥事故，导致了这一悲剧，其发生于加拿大魁北克省的魁北克桥之下。
作为目前全球最大的悬臂桥，魁北克桥曾于1995年被指定为加拿大国家历史遗址，如今每天都有很多上班族经过这座桥。
它全长987米、跨度549米、高95米，其原计划于1907年夏完工，但由于材料产生脆性断裂，没有机会补救，最终酿成大祸。虽然通过任命新任工程师，该桥最终得以竣工。但这段历史，仍然警示着如今的桥建筑行业。
而现在，材料脆性断裂的难题已得到相应解决，这要从和大桥看似没有任何关系的蜻蜓说起。
从娇小蜻蜓，到硬韧材料
“小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上头。”宋代诗人杨万里对蜻蜓的描写，曾启蒙了不少人对于蜻蜓的初始认知。
几百年后，南京理工大学化工学院傅佳骏教授以蜻蜓翅膀为灵感，联合攻克了刚性可修复材料脆性断裂的难题。
傅佳骏表示，多年来其一直从事高强度、高模量的可修复材料，这类材料在航空航天、汽车工业、智能建筑等领域有着广泛应用。
但是，当前基于超分子相互作用的刚性可修复材料都存在脆性断裂的弱点，严重时会带来材料的灾难性断裂，进而引发安全事故。
那么，小小的蜻蜓翅膀是怎么引申到预防安全事故呢？具体来说，无论是从微纳尺度、还是宏观尺度，蜻蜓翅膀都具有独特的分级结构，该结构给予它以出色的力学性能。
即使面对机械变形，蜻蜓翅膀中刚性的翅脉也能抵抗得住。嵌入蜻蜓翅脉中的翅膜，还能分散外界作用力，由翅脉和翅膜组成的连通型混合网络结构，可起到协同增强作用。
研究发现，虽然蜻蜓翅膀非常轻，但它的比强度和比刚度竟然高于商用航空铝合金。仔细观察蜻蜓翅膀就会发现，上面的分级结构非常有规则，并且还具备独特的止裂效果。
再加上这种翅膀具备较好的韧性、以及优秀的承载能力和抗疲劳能力，因此即便遭受空气摩擦， 翅膀也不会折断。
受此启发，傅佳骏开发出一系列本征自/可修复聚合物材料，这些仿生复合材料基于超分子的相互作用如氢键、配位键和离子键等，因此具备良好的热稳定性、快速光控可修复能力、以及电磁屏蔽能力，这样一种集成多功能的坚韧型复合材料，应用前景十分可观。
另据悉，在分子层面，非共价相互作用能实现可逆性断裂结合，因此在理论上这些材料具备无限次的修复能力，并且还能修复导电、传感、抗腐蚀等原有功能。
研究中，傅佳駿联合团队以定构加工为思路，通过模仿蜻蜓翅膀微结构，给可修复聚合物基体植入三维互联的仿蜻蜓翅膀微结构骨架，原本硬而脆的的可修复聚合物，变得坚硬而坚韧。
相比初始材料，该团队制备出的仿生复合材料在综合力学性能上得到较大提高：其中断裂韧性提高54.3倍，强度提高25.0倍，应变提高7.9倍，刚度提高3.8倍。
通过对比实验，傅佳骏发现，给聚合物基体加入等量无归分散的MXene纳米片，增强效果比较有限，远不如具有仿生微结构的复合材料。
采用复合材料定构加工策略，攻克脆性断裂难题
事实上，很多著名建筑都模仿过蜻蜓翅膀结构，比如北京鸟巢的钢筋架构就是案例之一。因此，傅佳骏和团队一开始就考虑到，把这种结构引入到脆性可修复聚合物基体，看是否可以把其变为韧性断裂材料。
这时就用到了四川大学傅强老师在高分子成型加工领域的经验，最终他们采用复合材料定构加工的策略。
具体操作时，先把聚合物磨成均匀的微小颗粒，再在颗粒表面包裹一种功能纳米片，然后采用一体化热压法让材料成型，这样即可把仿蜻蜓翅膀微结构引入到聚合物基体，刚性可修复材料脆性断裂的难题也得以解决。
傅佳骏还发现， 与无序的结构相比， 基于M X e n e纳米片的仿生微观结构，在红外光和热量的传导过程可起到更大的作用， 并能借此让相应复合材料、具备快速光控修复的性能。
对比起先的可修复材料，材料热稳定性也可得到提高，并且还附带可修复的电磁屏蔽功能。
另据悉， 本次傅佳骏制备出的SPM（SP/MXene）纳米复合材料，由于具备受热自愈能力，使用加热方式或光刺激方式，即可实现为材料局部区域或全部区域提供能量，进而实现机械损伤的修复。
其原理在于，在室温条件下，SPM纳米复合材料刚性超的分子交联组装体的动态性较差，只要遇到一定的热刺激，分子量即可明显降低，链的流动性会被增强，裂纹也可借此得到修复。
当用近红外光照射SPM纳米复合材料，它会快速生成热量， 这些热量会沿着MXene三维互联骨架结构蔓延开，从而让机械损伤的修复得以更快进行。
结合原位扫描电镜，傅佳骏还展开了有限元模拟实验，结果发现就初始可修复聚合物材料来说，它的单边缺口梁实验的最大应力，集中于材料的裂纹尖端。
而仿生复合材料的最大应力，产生于互联的MXene骨架里，所以这种材料的裂纹尖端应力，远远不如初始的可修复材料。
也就是说，仿生复合材料中的三维互联仿生结构，可起到类似蜻蜓翅膀中翅脉的功能，因此可以承载来自外界的大量作用力，如此便可减少裂纹尖端的应力集中，从而提高复合材料的断裂韧性。
为验证本次成果，该团队进行了电钻打孔实验并发现，仿生复合材料可以轻易地打孔，初始的可修复材料则不能打孔，這证明两者具备完全迥异的断裂特征。
从该团队的对比实验视频也可发现，该研究的仿生复合材料的增强增韧功能，远远强于此前报道的复合材料。
30秒，即可修复表面划痕
仿生复合材料还具备较好的自修复性能，傅佳骏发现当周围环境逐渐升高，可修复聚合物基体中的UPY氢键，会慢慢从结合状态转变为离解状态。
在加热过程中，组装体的分子量和模量也可得到暂时性降低，聚合物链的流动性会因此增强，而这种流动性可帮助聚合物进行修复，这说明初始的可修复材料具备较好的加热修复能力。
另外，仿生复合材料中的MXene三维互联骨架，还具备一定光热转换能力和热传导能力，因此可把近红外光变为热量，而三维互联的骨架结构可帮助快速传递热量。
这意味着，仿生复合材料能实现远程、快速、高精度的原位光控修复过程。相关修复实验显明，在近红外光照射30秒后，该仿生复合材料样品即可修复表面划痕、及其自身机械性能。
事实上，早在20世纪60年代，自修复材料的设想就被提出。自修复指的是，材料在受损时可通过化学反应或自我修复，让自己具备和修复前同等的功能。而这种材料真正获得相应突破，还是在进入本世纪之后。
相比通过加热方法去修复材料，具备光控修复能力的材料， 还可进行远程操控修复，这会给汽车工业、智能建筑、航空航天等领域的材料修复带来更多前景。