英文原题：Dynamic Polymer/Metal–Organic Framework Hybrid Microcapsules for Self-Healing Anticorrosion Coatings
通讯作者：李国良，北京化工大学
作者：Yan Song （宋妍），Xuhui Wang（王旭辉）；Junjie Tang（唐俊杰），Guo Liang Li（李国良）*
背景介绍
智能自修复材料可以延长材料的使用寿命以及提高材料的安全性，引起了人们的广泛关注。例如，通过加入微胶囊至防护涂层体系中构建智能防护材料，材料在破损时可有效释放活性修复分子，进而在材料受损区域实现防护功能的修复。在过去的研究中，各种类型的微纳米胶囊被开发并应用到自修复涂层材料中。然而，由于微纳米胶囊中负载的活性修复分子容易过早泄漏，随着时间的推移而失去自修复功效。
生物体系中，生物组织面对复杂环境变化时能够进行快速感知和自适应。例如，通过化学反应驱动的分子马达可进行协同工作以实现细胞内生物过程的控制，包括物质运输、细胞分裂和细胞运动等。磷脂双分子层上的蛋白质可以控制离子、分子扩散及选择性运输，这种动态特性允许细胞与其周围环境相互作用并进行基础生物活动。受此启发，本工作开发了具有分子开关功能的动态微胶囊。在中性环境中，动态微胶囊处于休眠态，负载的活性修复分子可以长时间保持在微胶囊中不泄露。当外界环境变为酸性时，动态杂化微胶囊从休眠态被激活并即时响应释放活性修复分子，从而实现防护功能的修复。
图1. 动态杂化微胶囊及其自修复防腐涂层
文章亮点
近日，北京化工大学李国良教授在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了具有动态性能的聚合物/金属有机框架杂化微胶囊并用于构建智能自修复防护涂层材料的研究。微胶囊的外壳由柔韧聚合物和刚硬多孔晶体材料沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）组成。杂化微胶囊的壳层由于ZIF-8的存在而具有分子筛作用，缓蚀剂活性分子可以长时间稳定存储在微胶囊中，预防了提前泄露和释放。当杂化微胶囊暴露在酸性环境中时，ZIF-8迅速分解，缓蚀剂作为活性修复试剂被释放到金属表面形成新的阻隔层，抑制了腐蚀的进一步蔓延。与传统微纳米胶囊相比，这种新型动态杂化微胶囊具有分子开关功能，在酸性环境中实现无需外界人为干预的智能自发防护。
图2. (a)聚合物/ZIF-8杂化微胶囊的扫描电子显微镜(SEM)图像，标尺: 500nm。(b)聚合物/ZIF-8杂化微胶囊在不同 pH 下的动态释放行为。(c)带划痕涂层在酸溶液中浸泡15天后的照片，(d)带划痕涂层在酸溶液中浸泡不同时间的阻抗模值变化。
实验结果表明，制备的杂化微胶囊壳层由多孔ZIF-8和聚合物共同构成，内部负载活性缓蚀剂8-HQ。当该微胶囊暴露于强酸性环境，活性分子被快速释放，而中性环境下由于杂化壳层的保护作用，活性分子几乎无释放，长期保持在涂层中保持休眠态。通过电化学工作站进一步原位监测浸泡过程中阻抗值的变化。结果表明，普通环氧涂层受到损伤后，阻抗模值下降至较低水平，失去了防护功能。环氧/动态杂化微胶囊涂层体系在破坏后，阻抗模值|Z|0.01Hz在48h内由1.9 × 104Ω cm2迅速增大到2.2 × 106Ω cm2，呈现腐蚀防护功能的自我修复特性。
总结/展望
研究团队构建了动态聚合物/金属有机框架杂化微胶囊，并应用于智能自修复防护材料。这种新型微胶囊具有“休眠-活性”的动态响应特性，能够长时间有效存储活性成分并实现快速释放修复分子。基于动态微胶囊的智能自修复涂层在苛刻酸性环境中具有优异的自发防护性能，不需要外界干预且长效。动态杂化微胶囊在深海、航空、航天等苛刻环境中具有广泛的应用前景。
相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，北京化工大学宋妍副教授为文章的第一作者， 李国良教授为唯一通讯作者。
通讯作者简介
李国良 教授
北京化工大学教授/博士生导师，新加坡国立大学获博士学位。先后在德国马克思普朗克学会胶体与界面研究所及日本京都大学开展博士后研究工作。主要从事智能高分子材料，包括分子精准合成，结构与性能关系，以及适用于极端环境下的自修复材料工程化应用研究。目前已在Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Macromolecules等学术期刊上发表文章50余篇，申请授权专利15项，他引达2000余次。主持了中国科学院百人计划，北京市科技新星，国家自然科学基金面上项目。开发了“聚复盾”自修复材料产业化项目。曾获德国洪堡学者，北京市科技新星，中国科学院百人计划，万华化学讲习教授等荣誉奖项。
第一作者简介
宋妍 副教授
先后在北京化工大学和中国科学院化学研究所获得学士和博士学位，北京化工大学高层次引进人才，主要从事智能自修复材料的结构性能调控及其用于苛刻环境方面的研究。承担了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国科学院高技术创新基金等项目。已在Angew. Chem. Int. Ed.等杂志发表SCI论文近30篇，授权专利3项。
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ACS Appl. Mater. Interfaces. 2024, 16, 49, 68478–68486
Publication Date: December 2, 2024
https://doi.org/10.1021/acsami.4c16670
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Xing Yi Ling
Nanyang Technological University
Deputy Editor
Peter Müller-Buschbaum
Technische Universität München
ACS Applied Materials & Interfaces为化学家、工程师、物理学家和生物学家等的跨学科领域提供服务，重点探索如何具体应用开发新材料和研究界面过程
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