Samonaprawiające się polimery

2007-07-13

Akademicy z University of Illinois w Urbana Champaign (UIUC) opracowali polimer, który potrafi sam reperować swoje uszkodzenia.

Niska cena i takaż trwałość niektórych tworzyw sztucznych sprawiają, że każdy przedmiot, który został z nich wykonany, nabiera cech przykrej tymczasowości. Nie idzie ona jednak w parze z łatwością utylizacji. Ale – czekają nas zmiany: naukowcy z University of Illinois w Urbana-Champain opracowali rodzaj tworzywa sztucznego zdolnego do autoregeneracji.

Nowy typ syntetycznego polimeru (to właściwsza nazwa niż „plastik”) zasklepia mikroskopijne uszkodzenia swojej struktury podobnie jak czynią to tkanki naszego ciała – na przykład skóra. Wykonane z niego elementy pozostaną niezmiennie plastikowe (polimerowe), lecz zyskają na niezawodności – oczekiwanej szczególnie w technice kosmicznej, medycynie i mikroelektronice.

Polimery konstrukcyjne narażone są na rozmaite uszkodzenia. Najbardziej niewdzięczne w naprawie są pęknięcia ukryte, które pojawiają się pod powierzchnią skonstruowanych z nich elementów. Osłabiają ich wytrzymałość mechaniczną i termiczną, prowadzą do przerwania obwodów mikroelektronicznych. Pozornie mało znaczące niedoskonałości tworzyw sztucznych mogą prowadzić do tragedii – tych w skali „makro” (wadliwa uszczelka zbiornika paliwa Challengera doprowadziła do eksplozji wahadłowca), i tych w skali „mikro” (jaki może być efekt awarii układu scalonego sterującego rozrusznikiem serca?).

To ważny krok na drodze do opracowania materiałów, z których będzie można produkować samonaprawiające się implanty medyczne, samoloty czy pojazdy kosmiczne. Podobny materiał uczeni z UIUC stworzyli już przed sześciu laty i od tamtej pory różne zespoły naukowe informowały o powstaniu tego typu wynalazków, jednak wszystkie one dokonywały samonaprawy pod wpływem ciepła lub ciśnienia.

Obecny wynalazek jest pierwszym materiałem, który potrafi się zreperować bez żadnej zewnętrznej interwencji. - To jakby nadać plastikowi właściwości żywego organizmu - mówi Chris Bielawski, profesor chemii z University of Texas.

Nancy Sottos i jej zespół tworzyli nowy materiał wzorując się na ludzkiej skórze. Gdy jej zewnętrzna warstwa ulega uszkodzeniu, warstwa wewnętrzna, bogata w naczynia krwionośne, dostarcza do rany składniki odżywcze, które pomagają w gojeniu się.

Samouzdrawiający się polimer składa się z zewnętrznej warstwy z żywicy epoksydowej i wewnętrznej, która wyposażona jest w sieć mikrokanalików. Warstwa zewnętrzna zawiera niewielkie cząstki katalizatora, a wewnątrz kanalików warstwy wewnętrznej znajduje się płynna substancja łatająca uszkodzenia.

Podczas testów naukowcy zgięli swój materiał tak, że warstwa zewnętrzna pękła. Szczelina sięgała do mikrokanalików. Spowodowało to wypłynięcie substancji z kanalików. W ciągu 10 godzin pod wpływem katalizatora zmieniła się ona w żywicę epoksydową łatając pęknięcie. Co ważne, materiał nie wymaga żadnego zewnętrznego sprężania, które wypychałoby substancję z kanalików. Samoistnie przesuwa się ona w górę, podobnie jak woda w wąskim naczyniu.

Akademikom udało się siedmiokrotnie doprowadzić do samonaprawy materiału. Później katalizator przestał działać. Zdolności materiału do samonaprawy można poprawić, podłączając zewnętrzny zbiornik z płynem, który uzupełniałby niedobory w mikrokanalikach.

W swoich wczesniejszych badaniach akademicy z University of Illinois w Urbana Champaign - UIUC (badania Scott R. White i współpracownicy) w zwykłym tworzywie sztucznym zatopili wiele maleńkich kapsułek zawierających substancję „leczniczą” (monomer zwany w skrócie DCPD). Kiedy tworzywo pęka, pękają również mikrokapsułki. Wydobywająca się z nich ciecz wypełnia wolną przestrzeń powstałą na skutek pęknięcia, a dzieła uleczenia dokonują cząsteczki katalizatora – również zatopionego w tworzywie. Katalizator prowokuje bowiem reakcję polimeryzacji czynnika leczniczego, czyli jego utwardzenie i związanie z powierzchniami mikrouszkodzenia.

Najtrudniejszym zadaniem amerykańskich eksperymentatorów było oszacowanie właściwej grubości ścianek mikroskopijnych banieczek (o średnicy 50-200 mikrometrów). Zbyt solidne pękałyby niechętnie, upośledzając proces zasklepiania uszkodzeń tworzywa. Zbyt delikatne byłyby trudne w obróbce. Czasochłonne było również określenie optymalnego „rozsiania” mikrokapsułek w ośrodku. Ich przesadnie wysoka koncentracja mogła osłabiać wytrzymałość tworzywa. Mała – nie prowadziła do niczego – i w tym właśnie tkwił szkopuł. Odpowiednia procentuje podwójnie: sama obecność mikrokapsułek w dotąd niewyjaśniony sposób wzmacnia mechaniczną wytrzymałość tworzywa oraz (przede wszystkim) zapewnia oczekiwany przebieg autonaprawy.


Pęknięta mikrokapsułka

Doświadczenia dowodzą, że uszkodzone elementy wykonane z „tworzywa” zawierającego mikrokapsułki odzyskują niemal 75% swojej pierwotnej twardości. A jak twierdzą naukowcy – może być lepiej.

Metoda ta miała jednak jeszcze wady. Po pierwsze zdawała ona egzamin w wypadku tworzyw jednolitych, jednoskładnikowych. W wypadku kompozytów wyniki badań nie były zadowalające. A tymczasem kompozyty (powszechnie spotykane materiały składające się z wielu warstw osnowy przeplecionej z „wątkiem”) często ulegają tzw. delaminacji, czyli rozwarstwieniu, wybitnie osłabiającej ich wytrzymałość. Po drugie – pojawiły się pytanie: co dzieje się, gdy pęknięcie pojawi się w tym samym miejscu po raz drugi? Ano nic – kapsułki zostały już przecież opróżnione. Naukowcy z University of Illinois pracowali więc nad system ciągłego zaopatrzenia mikrokapsułek w substancję leczniczą.


Proces autoregeneracji nowego rodzaju tworzywa

Pomysł tworzywa zdolnego do samonaprawy wydaje się prosty. Ale tylko pozornie. Jego realizacja zajęła grupie White’a ponad 10 lat. Nadzieje na szybszy rozwój wydarzeń są mimo to uzasadnione – do gry włączyły się amerykańskie National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research oraz Motorola.

Źródło:
, www.autonomic.uiuc.edu, Nature