Plastový materiál imitující cévy se dokáže sám opravit
Hráči počítačových her to dobře znají: poškozená jednotka či stroj se časem sami zregenerují, a mohou nadále fungovat. V realitě to ovšem zatím takto nefunguje, a anorganické materiály takovouto schopnost nemají. Tedy aspoň dosud - přinejmenším v podobné míře, jakou se vyznačuje schopnost organismu časem vyhojit menší zranění u lidí a živočichů.
Samoopravitelné, neboli tzv. self-healing polymerní materiály, typicky plasty, nejsou úplnou novinkou. Tato unikátní schopnost pozoruhodných materiálů umožňovala zatím regeneraci jen velmi malých poškození, maximálně v rozsahu několika milimetrů. Výzkumníci z University of Illinois v Urbana-Champaign vyvinuli druh plastu, s vlastními schopnostmi samoopravy, který dokáže postupně opravit otvory až do 1 cm v průměru, a navíc obnovit většinu své původní pevnosti.
Ve své nové práci, publikované v odborném časopisu Science, popisují vědkyně Windy Santa Cruz a její kolegové kombinaci chemického a mechanického inženýrství, umožňující cestu k syntetickým materiálům, které mohou pomoci řešit potenciálně katastrofické škody, např. z balistických vlivů nebo prasklin. K tomuto cíli inspirovala vědce funkce žil a tepen v živých organismech. Vytvořili dvě kapaliny, které jsou v odděleném stavu chemicky inertní, ale jejichž smísení vyvolává dvě reakce - první změní jejich směsi do gelovité konzistence, a druhá pak způsobí postupné ztuhnutí do tvrdého plastu. Výzvou pro výzkumníky bylo najít způsob, jak sloučit tekutiny tak, aby k oběma reakcím došlo v jednom systému, ale v různé době.
Použili běžný plast, který obsahoval malé kanálky, vytvořené přidáním vláken na plastu v tekutém stavu a jejich odstranění poté, co materiál zpevnil. Každý „mikrokanálek" pak vyplnili jednou ze zmíněných kapalin. Popraskání kanálků při poškození materiálu způsobí, že tekutiny v nich obsažené začnou vytékat, promíchají se a výše popsaným způsobem poté zpevní. Pomocí kanálků se čerpá další kapalina, až gel nakonec pokryje celou poškozenou oblast a dojde k naplnění prázdného prostoru. Otvor o průměru asi 35 mm naplnila samoopravovací směs zhruba během 20 minut, a další asi tři hodiny trvalo vzniklému gelu ztuhnout do podoby tvrdého plastu. Prostřednictvím kontroly reakční kinetiky se podařilo obnovit 62 % poškození nárazem z celkové absorbované energie. Vědci ale už pracují na systémech, které se hojí ještě rychleji.
Potenciální aplikace technologie nabízí nové možnosti v řadě oblastí od leteckého inženýrství na chirurgických implantátech, při zacelování děr a poškození v mnohem větší škále, než se dosud považovalo za možné. Což může mít velký význam zvláště v situacích, kdy běžný zásah servisního technika by byl komplikovaný, či nemožný - např. během poškození letadla ve vzduchu či u kosmických objektů apod. I když vědci poukazují, že v reálném životě bude asi mechanismus automatické opravy po poškození složitější, než při testech v laboratorních podmínkách, řešením by mohla být kombinace různých technik.
Teplo zastavuje šíření trhlin, UV světlo je opravuje
Nové průhledné plastové materiály mohou opravit své trhliny když jsou zahřívány či chlazeny, což by mohlo najít uplatnění u ochranných povlaků na křemíkové čipy nebo jako samoopravitelná okna. Termoplasty je např. možné spravovat tím, že se taví. Přes trhliny pak kladou dlouhé řetězce svých polymerních molekul. Vědci z Kalifornské univerzity (UCLA) v Los Angeles vyvinuli plast, který je při pokojové teplotě strukturován jako změť suchých zipů. Spojení fungující jako suchý zip mezi jednotlivými molekulami tvoří silné chemické vazby. Každá molekula tvoří několik takových vazeb, což vytváří hustou síťovou strukturu. Téměř třetina z příčných vazeb se láme při 120 °C, a teplem popraskaný materiál odhaluje velké množství „lepkavých” konců, které se pak mezi sebou spojují a umožňují uzavřít trhlinu. Při působení teploty 120 °C na pásy je lze od sebe odtáhnout, při ochlazení se opět spojí v nových konfiguracích.
Tenká deska z plastu může být takto spravená několikrát, přičemž po zhojené prasklině zůstává viditelná jizva, a zjizvený materiál je asi z poloviny stejně pevný jako nepoškozená verze.
Také vědci z University of Illinois v Urbana-Champaign zkoumali nové inteligentní kompozitní materiály, které by mohly pomoci automaticky opravovat mikrotrhliny např. v křídlech letadel, elektronických obvodech či tenisových raketách. Konstrukční kompozitní materiály se skládají z vláken skla, uhlíku, nebo jiných komponent vložených v polymerní matrici. Při vibracích, zatížení a namáhání vytvoří tyto materiály mikropraskliny, které se postupně šíří a zvětšují až do té míry, než učiní materiál nepoužitelným. Výzkumný tým řešil problém vložením malé tobolky do polymerní matrice. S postupným šířením trhlin se kapsle protrhne a uvolní tekutý opravný prostředek. Opravné kapalinové molekuly přicházejí do styku s katalyzátorem, který je rovněž obsažen přímo v polymerní matrici, což vytvoří léčebný prostředek pro polymeraci. Výsledkem je síť prodloužených polymerů podél trhliny, která společně prasklinu zafixuje. Po dvou dnech zotavení se trhliny zacelí a materiál získá zpět až 75 % své původní houževnatosti.
Materiálový výzkumník Christoph Weder na univerzitě ve švýcarském Fribourgu vytvořil se svými kolegy pružný plastický materiál se samoopravitelnou schopností po vystavení cílenému UV záření. V případě ozáření ultrafialovým světlem se původně pevný materiál zkapalní a může rychle zaplnit trhliny. Poté, co je světlo vypnuto, materiál ztuhne a jsou obnoveny původní vlastnosti.
Počítače pomáhají k novým materiálům
V květnu letošního roku oznámili vědci IBM objev zcela nového druhu polymerového plastu. Výsledkem výzkumu byl velmi silný, lehký a recyklovatelný druh plastu, ideální pro elektroniku. Použit byl nový přístup výpočetní chemie s použitím superpočítače. Ten umožnil urychlit proces zjišťování syntetického polymeru, který kombinuje laboratorní experimentování s high-performance computing.
Použitím pokročilé výpočetní techniky byli vědci schopni modelovat nové reakce polymerů a identifikovat několik dosud neobjevených tříd těchto materiálů. Předpokládá se, že tento typ výpočetní chemie umožní nakonec vědcům vkládáním seznamu požadovaných vlastností do počítače navrhnout materiál, který dokonale vyhovuje požadovaným specifikacím.
Nový plast by mohl nahradit současné materiály, aby se zachovaly vysoké hodnoty mikročipů a dílů vyráběných v polovodičovém průmyslu, které jsou nepoužitelné, jakmile jsou jednou vadné. Materiál by také mohl najít využití v dopravě a leteckém průmyslu, či medicíně.
530
