Spoglądając na gładki, polimerowy arkusz, nikt by się nie domyślił, że jeszcze niedawno znajdowały się w nim otwory. Naukowcy z University of Illinois at Urbana-Champaign w Stanach Zjednoczonych opracowali system, który znakomicie regeneruje materiał polimerowe. Zademonstrowane wcześniej samonaprawiające się elementy mogły wyłącznie reperować mikroskopijne pęknięcia. Natomiast nowy typ materiału, inspirowany naczyniami i mechanizmem tworzenia skrzepów krwi u człowieka, automatycznie “łata” stosunkowo duże dziury, nawet o średnicy 3 cm.
Brzmi to jak science fiction? Badania nad samouzdrawiającymi się polimerami prowadzone są od wielu lat, a najnowsze doniesienie z dziedziny chemii polimerów są niezwykle obiecujące. Potencjalnych zastosowań takich materiałów jest mnóstwo, począwszy od protetycznej skóry do trwałych anod w bateriach, wytrzymałych zbroi, ścian budynków, elementów samolotów oraz części wahadłowców. Marzeniem każdego kierowcy samochodu są z pewnością zderzaki naprawiające się w ciągu kilku minut od wypadku. Dowód działania koncepcji zaprezentowany przez badaczy z University of Illinois pokazał, że “zabliźnianie” otwartych pęknięć i dziur po uwolnieniu środków uzdrawiających jest możliwe. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w kwietniu w ostatnim wydaniu prestiżowego czasopisma Science.
Samoregenerujący się polimer inspirowany biologicznymi tkankami może regenerować strukturę poprzez sieć mikronaczyń
Reguły regeneracji polimeru
Regeneracyjny moc biologicznych tkanek i narządów zainspirowała inżynierów tworzących analogowy materiał syntetyczny. Chociaż wcześniej wyprodukowano już elementy z funkcją samoleczenia mikroskopijnych uszkodzeń, to do tej pory niemożliwe było zregenerowanie dużych, krytycznych otworów. Tego typu uszkodzenia wymagały innowacyjnego podejścia, podobnego do systemu naczyniowego, w który wyposażony jest m.in. organizm ludzki. Tym razem, bazując na poprzednich testach z rozpadającą się kompozycją włókien, naukowcy stworzyli materiał z syntetyczną siecią “naczyń włosowatych” wzorowanych na biologicznym układzie krążenia. Dzięki temu ma być możliwa m.in. budowa rusztowania podtrzymującego wypełnienie oraz przywrócenie pierwotnych właściwości mechanicznych materiału.
Rozwiązanie zaprezentowane przez badaczy z USA oparte zostało na dwustopniowej polimeryzacji, kontrolowanej przez kinetykę reakcji i szybkość dostawy składników do naczyń. Zespół zdecydował się na umieszczenie dwóch równoległych kanałów (kapilar) o szerokości 330 mikrometrów (około trzy razy więcej niż szerokość ludzkiego włosa) wewnątrz polimeru. Następnie do sieci naczyń z nich utworzonych wpompowano glikol polietylenowy oraz tris[(4-formylofenoksy)metylo]etan – każdy do osobnych kanałów. Monomery polimerów dopóki są przechowywane oddzielnie, pozostają stabilnymi cieczami o niskiej lepkości. Kiedy następuje uszkodzenie, oba związki wylewają się na zewnątrz, mieszając się wzajemnie. W ciągu kilku sekund od połączenia zaobserwowano żelowanie, które obejmowało powstałe defekty – duże luki i szczeliny. Wypełnienie otworów żelem oraz jego późniejsze usztywnienie przywracało pierwotne właściwości materiału. Testowany egzemplarz z 35 mm otworem został uzupełniony w ciągu 20 minut, a jego funkcje mechaniczne zostały odzyskane w ciągu 3 godzin (62% oryginalnej odporności materiału na pękanie przy obciążeniu dynamicznym).
Kontrola samoregeneracji materiału
Zespół sprawdził działanie systemu naczyniowego na dwóch największych grupach tworzyw handlowych: polimerach termoplastycznych i termoutwardzalnych. Oprócz tego, badacze mogli kontrolować kinetykę żelowania w zależności od rodzaju uszkodzenia. Dla przykładu otwór po kuli z otaczającym ją szeregiem szczelin wymagał spowolnienia reakcji żelowania, tak aby płyny mogły przenikać do szczelin przed stwardnieniem.
Przedstawiona konstrukcja jest tylko dowodem koncepcji, a polimery muszą być wtłaczane do kanałów sztucznie. Zespół pracuje obecnie nad zaprojektowaniem sieci mikronaczyń zawierających wcześniej wymienione płyny pod ciśnieniem, co pozwalałoby im przemieszczać się po uszkodzeniu w dowolną stronę w celu uszczelnienia otworu.
Źródło:
S. R. White, J. S. Moore, N. R. Sottos, B. P. Krull, W. A. Santa Cruz, R. C. R. Gergely. Restoration of Large Damage Volumes in Polymers. Science, 2014; 344 (6184): 620 DOI: 10.1126/science.1251135
Grafika: Holes by radioedit, flickr.com, CC BY-SA 2.0