Современные материалы, такие как графен - тонкий лист углерода толщиной всего в один атом - становятся легче, прочнее и легче в производстве каждый день, предлагая новый потенциал для преобразования отраслей от опреснения воды до солнечных элементов и выявления заболеваний.
Связанный контент
- Изобретатели Upcycling опубликовали свой манифест в пластиковой книге. Зачем?
Но нашим искусственным материалам по-прежнему не хватает одного столь желанного качества, которое естественным образом встречается в корнях растений и кожи человека: способность к самовосстановлению.
Команда под руководством Скотта Уайта из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн решила изменить это, добавив искусственную сосудистую систему к пластику. Идея состоит в том, чтобы заполнить псевдовены материала химически реактивными жидкостями, чтобы при разрыве пластика вещества могли соединяться и затвердевать, как свертывающаяся кровь, защищая объект от дальнейшего повреждения.
В демонстрационном видео команда тестирует технику на пластиковом блоке, перекачивая две жидкости через отдельные каналы в объект, прежде чем пробивать материал 4-миллиметровой дрелью. Из-за раны от сверла образовались трещины, которые высвободили каналы для жидкости, но благодаря сосудистой системе жидкости вытекли в отверстие и образовали трещины, которые в течение 20 минут образовали густой гель, который остановил распространение повреждения. По словам команды, гель затвердевал в течение трех часов, в конечном итоге восстанавливаясь примерно на 60% по сравнению с исходным материалом.
Исследователи предполагают использовать технологию для защиты всего, начиная от военной техники и заканчивая строительными материалами, что потенциально экономит время и рабочую силу в чрезвычайных ситуациях или труднодоступных рабочих местах.
Процесс химического смешивания и отверждения может показаться знакомым любому, кто когда-либо использовал эпоксидную смолу, купленную в хозяйственном магазине. Но Бретт Крулл, соавтор исследования, говорит, что команда отошла от эпоксидных смол, в основном из-за их медленного времени реакции.
По словам Крулла, хотя он и производит эффект, подобный эпоксидным смолам, новый пластик помогает быстрее восстанавливать повреждения.
Принципиальное отличие:
«Мы разработали нашу систему для двух разных переходов», в то время как эпоксидная смола работает по-разному, говорит Крулл. «Две химические реакции начинаются, как только происходит смешивание, но они происходят в очень разных временных масштабах».
Крулл говорит, что первая реакция превращает смесь в мягкий гель в течение 30 секунд. Это удерживает химикаты на месте внутри поврежденной области, в то же время позволяя доставлять больше жидкости в отверстие или трещину, пока она не будет заполнена. Вторая реакция, которая превращает химические вещества в твердое, происходит позже, со скоростью, которая может контролироваться путем изменения состава и концентраций химических веществ.
«Наша химия не приближается к сложности естественной системы, - говорит Крулл, - но мы разработали систему, которая реагирует на повреждения в зависимости от времени».
В прошлом Уайт и его команда продемонстрировали способность лечить микроскопические трещины другим способом, используя эпоксидную смолу и встроенные микросферы. Но новый сосудистый подход позволяет проводить ремонт в гораздо большем масштабе. Техника может быть использована, например, для исправления зазоров в боковой части подводной дрели или оспины на космическом корабле, который сталкивается с метеором.
Исследователи по-прежнему сталкиваются с проблемами, поскольку они продолжают разрабатывать саморазвитые материалы, включая способы повышения эффективности сосудистых сетей в материале (в данном случае пластика) без значительного снижения его прочности или производительности. Команда также хочет дать материалу способность лечить от нескольких «ран» с течением времени.
Химикаты также, вероятно, должны быть отрегулированы, чтобы справиться с большими областями повреждения. Согласно New Scientist, отверстия в материале размером более 8 мм вызвали провисание химикатов. Команда считает, что использование пены в каналах вместо жидкости позволит материалу исцелять большие области, хотя исследователям еще предстоит проверить этот вариант.
Крулл говорит, что они также попытаются сделать материал эффективным в различных условиях, таких как экстремальные температуры, под водой или в космосе. (До сих пор тестирование проводилось в основном в лаборатории).
Хотя однажды эта технология может появиться в потребительских товарах, не ожидайте, что эти самовосстанавливающиеся материалы волшебным образом восстановят заднюю часть вашего iPhone или бампер вашего автомобиля. По словам Крулла, технология все еще находится на ранней стадии разработки. И поскольку исследования финансируются ВВС США, они, скорее всего, будут в первую очередь использоваться на истребителях, танках или космических кораблях, а также на устройствах, которые трудно ремонтировать, например, на подводном буровом оборудовании.
Но это только начало того, что материал мог бы сделать, говорит Крулл.
«Текущая версия больше похожа на шрам, поскольку исцеленный материал не так хорош, как оригинал», - говорит Крулл. «Наша цель на дальнем расстоянии - разработать действительно восстанавливающийся полимер, в котором материал, потерянный в результате повреждения, может быть заменен материалом того же состава».
