Самовосстанавливающийся полимер

Ты главное его не трогай — и он соберется сам. Ученые создали полимер, способный к самосборке после полного разрушения структуры. При этом никаких особых внешних условий или катализаторов для запуска регенерации материала не требуется. Новому материалу исследователи дали громкое, многозначительное и явно коммерческое название — "терминатор".

Фото:

Знаменитые кадры собирающегося из жидкого металла Терминатора во второй части знаменитого сериала стали намного ближе к реальности, хотя специалистам давно известны эффекты самосборки материалов и возможности некоторых из них уже используются в разных областях человеческой деятельности.

Эффект памяти материалов исследуется с 30-х годов прошлого века. Свойства нитинола изучались советскими металлургами Курдюмовым и Хандорсоном в 1940 годах, хотя названием этому сплаву титана и никеля дали американцы в 60-х. Прокаленный сплав этих металлов после остывания можно деформировать, но после нагревания выше  40 градусов Цельсия изделие "вспомнит" свою первоначальную форму и вернёт её. Эффект (названный именем Курдюмова) вызван тем, что при закалке взаимное расположение атомов в этом сплаве строго упорядочивается.

Читайте также: Ультрафиолет вылечит поцарапанную машину

Также довольно давно специалистам известны самовосстанавливающиеся полимерные материалы. Длинные полимерные молекулы способны возобновлять связи при определённых условиях. Например, в 2012 году был предложен полимер, способный самостоятельно склеиваться. В созданном учёными гидрогеле, похожем на желе, молекулы полимера связываются с молекулами воды, причём полимеры "оснащены" гидрофобными и гидрофильными фрагментами.

При помещении в водный раствор кусочки материала склеивались благодаря работе молекулярных отростков. Но происходило этой в кислой среде, а в щелочной материал распадался. В общем, материал нуждается не просто в воде для восстановления, но  еще и в строгом pH. Ранее ученые из университета Иллинойса представили пластик, содержащий множество микрокапсул с застывающим материалом, который может выступить в роли своеобразной "заплатки" в случае повреждения.

Но в этом подходе много слабых мест. Даже если разместить микрокапсулы равномерно, повторное повреждение в одном и том же месте не поддаётся лечению. Химики, по аналогии с кровотечением и кровеносной системой живых организмов, делают микрокапсулы сообщающимися сосудами, что теоретически повысит регенерационные ресурсы материалов.

В русле этой концепции и идея биобетона, который придумали в Европе еще лет двадцать назад. В бетоне можно поселить микроорганизмы, для которых эта среда обитания будет естественной и продукты жизнедеятельности или активность которых будет химическим образом заделывать возникающие со временем трещины в материале.

После многолетних опытов наиболее подходящими признаны микроорганизмы рода Bacillus, которым требуется еще и заложить в материал склады специфической пищи. В биобетон замешиваются споры этих организмов и помещаются гранулы лактата кальция при переработке которого бактериями образуется кальцит, заполняющий трещины. При этом споры микроорганизмов активизируются во влажных условиях, что возможно при появлении вблизи микротрещины. До этого момента они могут годами пребывать в спящем состоянии.

И все же главное условие к умным самовосстанавливающимся материалам — способность многократно "залечивать" себя без участия человека, создания особых условий для регенерации и в заметных объёмах. Создать материал в наибольшей степени удовлетворяющий этим требованиям удалось испанским химикам. Сначала они экспериментировали с кремнийорганическими высокоэластичными полимерами с наночастицами серебра. Однако для срастания материала требовалось внешнее давление.

К тому же для массового внедрения самовосстанавливающихся материалов важно создавать их на основе дешёвых и доступных пластиков. Баски из Центра электрохимических технологий продолжили испытания с обычными полимерами типа полимочевин и полиуретанов. И добились невероятного успеха.

В эластомерах реакция обмена запускалась сразу после разрезания у включённых в состав полимеров ароматических дисульфидов при комнатной температуре. Сшивку между разрушенными структурами молекул полиуретана обеспечил бис(4-аминофенил)дисульфид. В результате  полимер начинает воссоединяется по линии пореза или разлома без создания дополнительных условий. Достаточно просто соединить куски и оставить их в покое.

Для полного восстановления потребовалось около 2 часов. За это время материал восстановил 97процентов разорванных связей. При этом в месте разрушения сохраняются все изначальные свойства пластика, эластичен, крепок и выдерживает сильные нагрузки при деформации.

Читайте также:  Узлы сделают ткань сверхпрочной

Широчайшие коммерческие перспективы полученного материала сомнений не вызывают. Такие полимеры крайне востребованы в автомобилестроении, строительстве, медицине и многих других отраслях.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"