Nieuw chemisch mengsel helpt kunststof zichzelf te genezen

Materialen die zichzelf genezen gaan zwaarder. Wetenschappers hebben een chemisch brouwsel gemaakt dat een gat van 9 millimeter breed in een vel plastic kan repareren, een zelfreparatieorder van een omvang groter dan ooit eerder aangetoond. De bevinding kan leiden tot nieuwe soorten vliegtuigvleugels en onderdelen van ruimtevaartuigen die zichzelf midden in de vlucht kunnen repareren.

“Het is spannend; Ik denk dat het een grote stap voorwaarts is in het in staat zijn om autonoom structuren te genezen zonder interventie, ”zegt University of Michigan, Ann Arbor, werktuigbouwkundig ingenieur Ellen Arruda. Ze noemt het schema van de onderzoekers 'het polymeerequivalent van een bloedstolsel'.

Complex leven zou nooit zijn geëvolueerd zonder het vermogen om zichzelf te genezen. Wanneer een dier bijvoorbeeld lek raakt, stromen verbindingen van bloedvaten naar de wondplaats, waar ze de groei van nieuw weefsel voeden om het beschadigde gebied te vullen. Het proces vereist echter een vasculair systeem om de benodigde componenten te leveren. Omdat de meeste niet-levende materialen deze complexiteit missen, vereist reparatie meestal menselijk ingrijpen.

Onlangs zijn wetenschappers en ingenieurs echter begonnen met het ontwerpen van materialen die kleine defecten kunnen repareren. In een dergelijk schema leveren smalle kanalen vergelijkbaar met dierlijke bloedvaten verbindingen af ​​die kleine scheuren afdichten in een materiaal gemaakt van glasvezel en polymeerharsen. Tot dusverre hebben dergelijke systemen alleen breuken gerepareerd die zo klein zijn dat tegenoverliggende zijden van de wond bijna raken. Wanneer de schadeplaats groter is - laten we zeggen de grootte van een kogelgat - hebben vloeibare verbindingen de neiging om uit te lekken voordat ze een afdichting kunnen vormen.

Nu rapporteren wetenschappers en ingenieurs van de Universiteit van Illinois, Urbana-Champaign, een tweedelige oplossing om zulke grote leemten op te vullen. In de eerste stap vulden de onderzoekers twee parallelle kanalen met een diameter van 330 micrometer met twee mengsels van organische moleculen waarvan bekend is dat ze combineren om vaste en halfvaste structuren te vormen; de mengsels waren rood en blauw geverfd. De onderzoekers legden de kanalen vervolgens in een plastic plaat van 3 millimeter dik, legden de plaat plat en prikten erin, waardoor de rode en blauwe mengsels in het bijna cirkelvormige gat vloeiden en met elkaar vermengen. Een katalysator voegde de twee verbindingen samen tot verknoopte vezels, resulterend in een halfvaste gel die het gat van buitenaf vulde.

De vezels van de gel vormden een netwerkachtig schavot dat de basis vormde voor de tweede stap in de genezing door een derde verbinding te ondersteunen die uit de kanalen stroomde. Deze verbinding reageerde om vaste kriskraspolymeren te vormen, die het gat en omringende scheuren vulden met een troebele, paarsachtige substantie. Het polymeer maakte een afdichting met het oorspronkelijke doorzichtige plastic en herstelde het grootste deel van de sterkte van het materiaal.

"Wat we hier deden was wat ik graag reparatie door hergroei noem", zegt chemicus Jeffrey Moore, lid van een onderzoeksteam. Hij zegt dat het kritische inzicht was om chemicaliën te kiezen die met verschillende snelheden reageren, zodat het net zich kon vormen voordat de polymerisatie begon. Timing is alles hier, zegt Moore.

Moore en zijn collega's melden vandaag online in Science dat hun schema een gat met een diameter van bijna 1 centimeter kan repareren, met scheuren die een diameter van 3, 5 centimeter uitstralen. Dit is ongeveer 100 keer groter dan een eerder zelf gerepareerd defect in een niet-levend materiaal, zegt Moore. Een systeem als het hunne zou op een dag deel kunnen uitmaken van zelfherstellende vliegtuigvleugels of ruimteschipcomponenten die composietmaterialen bevatten, gemaakt van meerdere componenten. Mensen kunnen dergelijke componenten tijdens de vlucht niet gemakkelijk repareren.

Maar Arruda zegt dat, anders dan bij een menselijke wond, die uiteindelijk wordt gerepareerd met hetzelfde soort weefsel dat oorspronkelijk verloren was gegaan, de samenstelling van het polymeer van Moore s team verschilt van die van het originele plastic. Als een resultaat is het gerepareerde materiaal enigszins zwakker dan een intact vel; in tests kan het slechts ongeveer 62% zoveel energie absorberen van een impact. De onderzoekers zullen ook moeten aantonen dat hun reparaties stand kunnen houden onder een aantal realistische omstandigheden, zoals wisselende vochtigheid en extreme temperaturen, zegt ze.