Самовосстановление материалов стало возможным за счет «биологических» систем

Технология самовосстанавливающихся материалов сделала большой скачок вперед, когда ученые стали черпать свое вдохновение в созданных матерью-природой биологических системах живых организмов.

Ученые Университета штата Иллинойс нашли способ закачивать «заживляющую» жидкость в материалы, подобно циркуляции крови в живом организме. Такие материалы, способные восстанавливаться после повреждения, могут найти широкое применение в строительстве и инженерном деле. Результаты исследований были опубликованы в «Журнале королевского научного общества» (JournaloftheRoyalSocietyInterface).

Ученые разрабатывали самовосстанавливающиеся материалы уже около десятилетия, стремясь снизить риск повреждений и связанные с этим расходы. Для их создания применялись различных подходы, в зависимости от материала, нуждающегося в восстановлении, – металл, пластик иликомпозиционный материал на основе углеродного волокна.

Одним из подходов является запечатывание в материале миниатюрных капсул с восстанавливающей жидкостью. При механическом повреждении жидкость вытекает из капсул и застывает, закрывая трещину. При всей своей эффективности этот метод и ему подобные ограничены малым количеством восстанавливающей жидкости, поскольку большое число капсул может ослабить материал.

Однако исследователи Иллинойского университета, возглавляемые профессором Нэнси Соттос, стали пионерами в новой технологии самовосстановления материалов. Они создали пластик с целой сетью тонких каналов, каждый менее 0,1 мм в диаметре, которые заполняются жидкой смолой. Эти «капиллярные» сети пронизывают материл, наподобие кровеносной системы, поставляя восстанавливающий реагент во все участки объекта, что позволяет повреждению быстро затянутся когда бы и где бы оно ни произошло.

У технологии есть и свои ограничения, поскольку процесс «заживления» работает по принципу медленного капиллярного затекания и диффузии восстанавливающей жидкости. Тогда ученые решили снова поучиться у природы и использовать ее принципы для повышения эффективности самовосстанавливающихся материалов.

 «В биосистемах жидкости не просто находятся внутри живых организмов, они прокачиваются через тела», – отмечает профессор Соттос, нашедшая способ закачивать восстанавливающие реагенты в «капиллярные» сети внутри материалов. При помощи шприцев давление реагента повышается, и когда в материале появляется трещина, жидкость активно впрыскивается в поврежденное место за счет постоянного давления.

В ходе проведенных командой исследователей испытаний в куске пластика создавались два параллельных канала, по одному из которых прокачивалась жидкая смола, а по другому – связывающие реагенты, благодаря которым она застывала. При появлении трещины целостность обоих капилляров оказалась нарушена, и вещества были впрыснуты на поврежденную область.

Ученые поэкспериментировали и со способом поставки восстанавливающих материалов. Так эффективность технологии повышалась при последовательном впрыскивании смолы и реагентов повторяющимися циклами. Такая технология гарантирует большее распространение восстанавливающих веществ и позволяет закрывать большие трещины.

«Микрокапсульная технология позволяет закрывать повреждения размером 0,05 - 0,1 миллиметра, в то время как в «капиллярной» технологии трещина может быть до миллиметра шириной», – говорит профессор Соттос.

Продемонстрировав новую технологию восстановления поврежденных материалов за счет циркуляции реагентов через капиллярную сеть, исследователи надеются, что их разработка – при дальнейшем усовершенствовании – найдет широкое применение в строительстве и инженерном деле.

Метод создания самовосстанавливающихся материалов уже хорошо отлажен; сеть каналов прокладывается в синтетическом материале при помощи каркаса из волокон, разлагающихся на финальной стадии производства.

Во время проведения эксперимента давление в капиллярах повышалось извне, но профессор Соттос пояснила, что они «намерены внедрить систему накачивания, работающую за счет магнитного поля или разности давления, в сам материал». Впрочем, многие крупные объекты, где самовосстанавливающиеся материалы наверняка пригодятся – такие, как космические корабли или самолеты, – уже имеют встроенные гидравлические системы. Профессор полагает, что эти системы найдут и второе применение – обеспечат необходимый уровень давления в самовосстанавливающихся материалах.

Сейчас команда ученых работает над тем, как внедрить систему самовосстановления в крупные объекты гражданской инфраструктуры и как поднять ее потенциал на новый уровень.

Leila Battison, BCC, перевод с английского – Наталья Коношенко

http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-15096393