Учёные разработали несколько прототипов самовосстанавливающихся материалов, обладающих способностью затягивать порезы, дыры, трещины и даже "лечить" свои переломы. Словом, регенерировать, как человеческое тело. Эти материалы могут быть полезны в космической промышленности, а также в медицине, строительстве или автопроме. Первый самовосстанавливающийся полимер был создан в 2001 году учёными из Университета Иллинойса. Этот материал лёг в основу сегодняшних разработок.
Лично я хотел бы никогда не красить стены своей квартиры, не штукатурить углы, не менять плитку, а чтобы это всё само восстанавливалось. Поцарапанная соседом машина самостоятельно бы приходила в идеальное состояние, а дом, в котором я живу, самоподдерживался и не требовал сборов на капремонт. То есть, всё, что меня окружает, стало бы иметь неограниченный срок службы.
Оказывается, такое в некоторых продвинутых странах стало возможным ещё четверть века назад, когда изобрели первые самовосстанавливающиеся материалы — инженерные системы, способные устранять свои физические повреждения.
Идея стволовых клеток двигала желанием учёных из американского университета Иллинойса создать такой же регенерирующий, но искусственный материал.
25 лет назад их эксперименты завершились созданием первого прототипа.
Самовосстанавливающейся полимер:
Что такое самовосстанавливающийся материал?
Самовосстанавливающиеся материалы могут без вмешательства человека устранять свои повреждения. Причём эти повреждения могут произойти как от механического воздействия, например, порез ножом, так и под воздействием окружающей среды, например, от сильного холода или жары. Как-то в Марокко в городе Мерзуга я видел оплавившийся светофорный козырёк. Он был пластиковый и чёрного цвета. На солнце козырёк буквально потёк, а потом треснул. Если бы его собрали из самовосстанавливающего полимера, козырёк буквально "сросся" бы, приняв исходное состояние.
Такие специально разработанные материалы бывают не только полимерными. К ним относятся специальные виды эластомеров, металла, керамики и даже материалы на цементной основе. Каждый из них наделён своим механизмом восстановления. Но объединяет их одно свойство: эти материалы имитируют биологическую регенерацию.
Если совсем простыми словами, то процесс восстановления таких материалов похож на заживление раны после пореза.
При возникновении повреждения любого типа от микроскопического дефекта до трещины от пореза или изгиба, материал буквально ощущает его и активирует внутреннюю реакцию восстановления.
В зависимости от типа материала запускается химическая реакция, активируются встроенные компоненты или высвобождается специальное вещество, "заживляющее" полученную рану. В итоге, повреждение начинает устраняться.
Поврежденная структура материала восстанавливает свою прочность.
А сам след от повреждения просто исчезает, не оставляя шрамов в отличие от человеческой кожи.
Основные типы самовосстанавливающегося материала.
По мере того, как самовосстанавливающиеся материалы изобретались и создавались, их начали делить на группы. Дело в том, что для своего "заживления" одни не требовали ничего, другим нужен был свет, каким-то тепло, влага или определённое давление. Вместе с этим, сами материалы создавались из разных компонент.
Тем, кто использовал эти материалы, проще оказалось разделить их по способу устранения повреждений. Так количество типов сократили всего до двух: внешние и внутренние.
Внешние самовосстанавливающиеся материалы.
Внешние самовосстанавливающиеся материалы содержат "заживляющее" вещество внутри себя. Такие материалы, подобно человеческому телу, имеют сосудистую сетку или микрокапсулы, содержащие мономеры или смолы. Если материал получает трещину, то резервуары с "заживляющим" веществом разрываются и вещество сразу попадает в повреждённый участок. А далее работает как тромбоциты в крови при порезе. Контакт с катализатором или воздействие воздуха на это вещество запускают процесс полимеризации. В итоге трещина склеивается.
Внутренние самовосстанавливающиеся материалы.
Во внутренних самовосстанавливающихся материалах больше работает химия, чем физика. Эти материалы основаны на обратимых химических связях или динамических молекулярных взаимодействиях, встроенных непосредственно в структуру материала. К ним относятся обратимые ковалентные связи, водородные связи или ионные взаимодействия.
Механическое повреждение такого материала нарушает эти связи и они начинают постепенно восстанавливаться. Скорость восстановления не такая быстрая, как у внешних, зато такие материалы могут многократно устранять полученные повреждения. Механизм "заживления" здесь буквально встроен в саму полимерную сетку, поэтому для восстановления не требуется никакого воздействия дополнительным средством, например, воздухом или теплом.
Где такие материалы используются?
В это трудно поверить, но в строительной отрасли некоторых стран (не будем показывать пальцем на США) используется самовосстанавливающийся бетон. Он пропитан бактериями, производящими известняк. Вместо бактерий сейчас научились также использовать специальный химический реагент. При попадании на такой бетон влаги, бактерии или химические реагенты активируются и заделывают трещины. Такой бетон в США используется при строительстве мостов, туннелей и дорог. Представьте себе дорогу, которую не надо ремонтировать каждый год, снимая асфальт, или работая по схеме асфальт-плитка-асфальт...
Ярким примером бетона с химическим реагентом является изобретённый американскими учёными из Вустерского политехнического института самовосстанавливающийся бетон, использующий для заживления трещин обычный углекислый газ.
Чтобы с американских морских судов, максимально подверженных риску коррозии, не облетала краска, были разработаны защитные покрытия и самовосстанавливающиеся краски. Их также додумались использовать в промышленности, автомобилестроении и инфраструктуре для устранения микроцарапин и, как следствие, предотвращения коррозии. Представьте себе авто от АвтоВАЗа, которое не надо красить - оно само окрашивается, и даже не ржавеет.
Что в разработке?
То, с каким рвением сейчас США в лице Илона Маска рвётся строить на Луне атомную станцию и целый город, повлияло на разработку самовосстанавливающихся композитов и смол для устранения микроповреждений в аэрокосмической промышленности. Эти материалы должны сами "заживляться", получая различные микроповреждения, вызванные перепадами температур и механическим воздействием, например, во время метеоритного дождя.
Успехи уже есть.
Недавно учёные в лабораториях NASA разработали материал, способный за микросекунды самовосстанавливаться в широком диапазоне температур после высокоскоростных проколов. Такой материал очень кстати для солнечных панелей, получивших повреждения от пролетевших частиц космической пыли или более крупных песчинок. Космическое агентство планирует его использовать для создания воздушных или водных резервуаров.
Исследователи из Техасского университета A&M создали динамичный материал, способный самовосстанавливаться после прокола, переходя из твёрдого состояния в жидкое и обратно.
В электронике самовосстанавливающиеся полимеры создают для гибких дисплеев, потому что именно они подверженных царапинам. Такие полимеры представляют собой сплав серы и селена. С 2021 года их начали использовать в первых гибких смартфонах и рулонных телевизорах. Некоторые образцы такой электроники в виде прототипов даже попали на выставку CES 2021.
В медицине самовосстанавливающиеся полимеры пригодятся для разного рода имплантатов, тканевых каркасов и носимых медицинских устройств.
Текстильная промышленность планирует использовать такие технологии в производстве военной формы или одежды для спортсменов. Это позволит продлить срок службы изделий и сократить количество отходов.
Самовосстанавливающийся полимер (внутренний тип):
Недавно американские исследователи разработали композитный материал, способный к самовосстановлению более 1000 раз. При этом он оказался прочнее материалов, используемых в аэрокосмической промышленности.
Слабые места самовосстанавливающегося материала.
Главная проблема изготовления самовосстанавливающихся материалов - это их высокая стоимость.
Современные химические вещества, технологии микрокапсулирования и организация производственного процесса стоят дорого. Это главное препятствие к широкомасштабному внедрению. Для космической отрасли или для градостроения производство окупается. Для частного использования пока нет.
Другая проблема - скорость восстановления.
Хорошо, когда повреждение восстанавливается мгновенно, как в случае с материалами внешнего типа. Но другие материалы, например, внутреннего типа, "заживают" гораздо медленнее. Иногда на устранение повреждения им требуются часы или даже дни. Кроме того, у некоторых материалов восстановительные свойства зависят от конкретных условий окружающей среды.
Иными словами, материалы, для восстановления которых требуется тепло, свет или влага, могут восстанавливаться или медленно, или вообще не восстанавливаться, пока условия не станут подходящими. Например, самовосстанавливающийся бетон с химическими реагентами не станет "чинить" свои трещины в засушливых районах до тех пор, пока его не польют водой.
Третьей проблемой является сохранение надёжности в долгосрочной перспективе.
Ещё одной проблемой является снижение надёжности материала после большого числа циклов восстановления.
Самовосстанавливающиеся материалы есть и они активно используются. Разработка новых рано или поздно сделает их дешёвыми и доступными.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.