Naukowcy z niemieckiego Karlsruhe Institute of Technology (KIT) opracowali samoregenerujący się polimer, który po uszkodzeniu w pełni odzyskuje początkowe właściwości mechaniczne. Naprawa trwa zaledwie kilka minut, a materiał wymaga wyłącznie chwilowego ogrzewania w stosunkowo niskiej temperaturze. Fabrykat może posłużyć do produkcji trwałych warstw uszczelniających, farb i lakierów odpornych na zarysowania oraz bardziej niezawodnych kompozytów wzmacnianych włóknami.
W ciągu ostatniego dziesięciolecia naukowcy z dziedziny inżynierii materiałowej intensywnie skupiali się na projektowaniu i rozwoju tzw. materiałów “inteligentnych”, wspomagających nasze codzienne życie. Tematem szczególnego zainteresowania stało się wydłużenie czasu eksploatacji i żywotności materiałów polimerowych oraz kompozytowych. Tradycyjne polimery – tworzywa sztuczne, popularnie nazywane plastikami zwykle kojarzą nam się z bardzo tanimi, wizualnie efektownymi detalami, lecz o niskiej jakości. Jeszcze kilkanaście lat wstecz, ideę samoregenerujących się przedmiotów lub powierzchni pozbawionych rys można było spotkać wyłącznie zagłębiając się w literaturze fikcji i filmach science-fiction. Obecnie, materiały samonaprawiające się to już nie tylko śpiewka przyszłości. Obiekty reagujące na pęknięcia, ubytki powierzchniowe czy wygięcia produkowane i testowane są w wielu laboratoriach świecie. Badacze cały czas dążą do tego, aby mechanizm “samouzdrawiania” materiałów był jak najbardziej podobny do analogicznych sytuacji w przyrodzie (np. gojenie się skóry, zrastanie się złamanych kości). Dla inżynierów ważna jest również szybkość reakcji przy minimalnym udziale czynników zewnętrznych.
Do tej pory problem przywrócenia początkowych właściwości mechanicznych oraz wyglądu materiałów rozwiązywano na różne sposoby. Naukowcy wyodrębnili dwie główne strategie samoleczenia. Pierwsza opierała się rozproszeniu w materiale mikrokapsułek z “klejem”, który w momencie uszkodzenia przedmiotu był uwalniany do sieci. Naprężenia powodujące ubytek w obiekcie powodowały także zniszczenie powłoki kapsułek, a zawartość (najczęściej dicyklobutadien, DCPD) odtwarzał zerwane wiązania. Drugie podejście bazowało na procesach metatezy, która polega na skoordynowanej “zamianie miejsc” cząsteczek, wypływającej na odbudowę pęknięć. Oba sposoby mają wady i niedogodności, dlatego muszą być starannie dobierane, w zależności od docelowego zastosowania materiału. Osadzanie mikrokapsułek ogranicza możliwość autonomicznego samoleczenia do kilku powtórzeń, podczas gdy metateza teoretycznie umożliwia regenerację nieskończenie wiele razy. Z drugiej strony, w przeciwieństwie do kapsułek, drugie podejście wymaga zwykle udziału katalizatora i zewnętrznego bodźca do inicjacji procesu gojenia (może to być ciepło, światło lub odpowiednie pH).
Naukowcy z KIT zaprezentowali jeszcze inną koncepcję, ale po części bazującą na poprzednich. Mechanizm naprawy opierał się na reakcji Dielsa-Aldera, która w 1950 roku przyniosła odkrywcom Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Wtórna polimeryzacja na drodze takiej reakcji polega na ponownym połączeniu miejsc z mechanicznie powstałymi defektami za pomocą silnych wiązań kowalencyjnych. Kluczowym elementem jest użycie odpowiedniej pary substratów, umożliwiających wystąpienie skoordynowanej cykloaddycji podstawionego alkenu do sprzężonego dienu. Dodatkowym utrudnieniem jest mała liczba poznanych par składników, pozwalających na silne sieciowanie poniżej temperatury rozkładu tych materiałów w stosunkowo krótkim czasie.
Testy pod kierunkiem Christophera Barner-Kowollika trwały cztery lata. Badacze stworzyli siatkę połączonych ze sobą włókien i cząsteczek zdolnych do samoregeneracji na skutek odwracalnej reakcji chemicznej. Inżynierowie wykorzystali związki cyjanoditioestru (z ang. cyanodithioester, CDTE) oraz cyklopentadienu (z ang. cyclopentadiene, CP). Cyklopentadien łatwo ulega dimeryzacji w reakcji Dielsa-Aldera już w temperaturze pokojowej, szybciej natomiast po ogrzaniu. W tym przypadku rozerwana sieć polimerowa regenerowała się w stosunkowo niskich temperaturach od 50°C do 120°C, w ciągu zaledwie pięciu minut. Badania mechaniczne, takie jak próby rozciągania i lepkości potwierdziły, że pierwotne właściwości materiału zostały całkowicie przywrócone. Jak twierdzi Barner-Kowollik, wyniki niektórych próbek po “naprawie” były nawet lepsze niż te dla materiału początkowego. Co ważne, mechanizm samoleczenia może być inicjowany wielokrotnie, w dowolnym czasie przez ciepło, światło lub dodatek odpowiedniej substancji.
Badacze poinformowali, że ich technologię można z łatwością zastosować w przypadku wielu innych znanych tworzyw sztucznych. Korzystne zmiany właściwości mechanicznych z pewnością zainteresują producentów materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami, zwłaszcza w zakresie fabrykacji elementów dla przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego.
Źródło:
[1] Kim K. Oehlenschlaeger, Jan O. Mueller, Josef Brandt, Stefan Hilf, Albena Lederer, Manfred Wilhelm, Robert Graf, Michelle L. Coote, Friedrich G. Schmidt, Christopher Barner-Kowollik. Adaptable Hetero Diels-Alder Networks for Fast Self-Healing under Mild Conditions. Advanced Materials, 2014; DOI: 10.1002/adma.201306258
[2] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201306258/ [18.04.2014]
[3] http://www.researchgate.net/publication/261034902_Adaptable_Hetero_Diels-Alder_Networks_for_Fast_Self-Healing_under_Mild_Conditions [18.04.2014]
[4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Cyklopentadien [18.04.2014]
[5] KeyedPaintOnCar by Athol Mullen (Own work) CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons