这项研究主要由Jianhua Xu、Jiaoyang Chen、Yana Zhang、Tong Liu 和 Jiajun Fu共同完成，作者所在机构为南京理工大学化工学院。主要通讯作者是Jiajun Fu（联系邮箱：fujiajun668@gmail.com）。文章发表于期刊《Angewandte Chemie International Edition》（国际版），出版日期为2021年。DOI为：10.1002/anie.202017303。
玻璃具有优越的光学透明性、硬度和耐久性，被广泛应用于显示屏、车窗及光学镜片等领域。然而，玻璃本身的固有脆性限制了其广泛应用。同时，传统玻璃在破裂后由于表面非粘性特质，难以重新愈合。这一挑战对工业化应用构成了限制。近年来，基于超分子非共价化学或动态共价键的固有可修复高分子材料成为研究热点，这些材料能够通过分子链扩散和动态键重组在分子水平上实现修复。然而，目前现有的可修复高分子材料存在显著局限性，例如需要外界能量（光、热或溶剂辅助）触发修复或修复时间较长（通常超过12小时）。
研究提出了一种新型可修复玻璃状聚氨酯（glassy polyurethane，GPU），能够快速实现室温自修复。这种GPU为光学设备提供了一种富有前景的替代材料，同时突破了机械刚性与快速修复能力之间的权衡关系。
研究围绕新型GPU材料的设计、合成和特性展开，主要流程包括以下环节：
GPU具有极佳的透明性与机械性能，其玻璃化转变温度（tg）高达36.8°C，拉伸杨氏模量为1.56 ± 0.03 GPa，与部分常见高分子如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）和聚苯乙烯（PS）接近甚至更优。
材料性质评估和分析
研究通过核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TG）、差示扫描量热仪（DSC）、以及小角X射线散射（SAXS）等多种表征手段，对GPU的分子结构、热特性、网络密度和力学性能进行评估。此外，研究使用宽带介电光谱（BDS）验证了GPU链段的分子动力学特性。
修复能力测试
为评估GPU在常温下的自修复性能，研究设计了一系列模拟断裂-接触修复实验，并测量修复后的拉伸强度。断裂表面通过手压接触20秒后，GPU即可恢复到可承受200克重量的强度；进一步测试显示在1.0 MPa压力下压合10分钟后，其拉伸强度恢复至原始强度的100%。
对比实验设计
为探究设计中采用低分子单体IPDI的关键作用，研究合成了另一种对照材料GPU-C，使用双酚甲烷二异氰酸酯（4,4’-Methylenebis(phenyl isocyanate), MDI）替代IPDI合成。结果显示，虽然GPU-C具有相似的刚性，但其自修复效率在相同条件下仅为7.11%，并且长时间（24小时）加压也未有显著提升。研究通过红外光谱和介电光谱分析，揭示了上述性能差异来源于断裂界面处氢键重组能力的差异。
基础性能提升
GPU展现了极高的机械强度和热稳定性，其tg显著上升至36.8°C，这表明GPU在室温下处于坚硬的玻璃态。同时，拉伸杨氏模量高于常见聚合物如PE、PP和PTFE。
快速室温自修复能力
GPU在室温（25°C）下仅需10分钟即可完成断裂修复，其修复后的拉伸强度达到约7.74 ± 0.76 MPa，修复速率和强度大幅优于目前已有文献报道的多种可修复材料。
断裂界面动态重组
宽带介电光谱和原子力显微镜（AFM）检测表明，GPU断裂界面处聚氨酯和醚基团的高浓度未结合氢键能够快速移动并重组为新的氢键，这一动态过程发挥了修复机制的核心作用。
热修复及光学性能恢复
GPU在高于其玻璃化温度（90°C）下表现出进一步的自修复能力，能够消除材料表面的划痕，并恢复其光学透明性。研究证明，这种修复过程可以多次循环，且不会显著降低材料性能。
本研究通过弱氢键引入策略，成功设计了一种既具有高刚性又具备快速室温修复能力的透明自修复玻璃状聚氨酯。由于其出色的机械性能、透明性和快修复特点，GPU在光学镜片、电子显示屏以及汽车挡风玻璃等领域呈现出较大的应用潜力。
此外，本研究突出展示了IPDI单体在增强分子动态性能方面的优势，并总结了一种优化自修复材料设计的新方法。这一方法为进一步开发功能性自修复高分子材料提供了思路。
研究为高性能自修复高分子材料的开发做出了重要贡献，预期将在多个高技术行业中得到广泛应用。