Глядя на гладкий лист пластика, лежащий в одной из лабораторий университета Иллинойса (University of Illinois), невозможно догадаться, что совсем недавно в нём зияло отверстие. Исследователям удалось разработать материал с невероятной способностью к регенерации.
Ранее самовосстанавливающиеся материалы могли бороться только с микроскопическими трещинами и отверстиями. Но созданный американскими учёными пластик заживляет на себе внушительные "ранения".
"Мы показали, что неживая система синтетических материалов может регенерировать подобно некоторым живым биологическим системам", – рассказывает один из авторов исследования профессор химии Джеффри Мур (Jeffry S. Moore).
Создание самовосстанавливающегося пластика стало возможным благодаря предыдущей разработке команды — особому сосудистому материалу. Используя сформированные волокна, исследователи создали материалы с сетью капилляров. Вдохновение учёные черпали, наблюдая за биологическими кровеносными системами.
Два соседних капилляра, идущие параллельно друг другу, заполняются специальными химическими веществами, которые вытекают в случае повреждения "сосудов". Две жидкости смешиваются и образуют гель, который охватывает разрыв, вызванный повреждением, заполняя трещины и отверстия. Это похоже на то, как в нашей кровеносной системе тромбоциты и белок фибрин образуют сгусток крови. Затем гель затвердевает, превращаясь в крепкий полимер, восстанавливающий механическую прочность пластика.
"Сосудистая доставка позволяет подводить к месту деформации большой объём лечебных агентов и охватывать значительные зоны повреждений, – рассказывает профессор материаловедения и инженерии Нэнси Соттос (Nancy Sottos). – Более того, этот подход обеспечивает несколько циклов реставрации в том случае, если повреждение было неоднократным".
Во время эксперимента гель заполнил разрыв шириной более 35 миллиметров за 20 минут, а механические функции материала восстановились более чем на половину в течение трёх часов.
"Для того чтобы успешно осуществить регенерацию, нам пришлось преодолеть множество внешних факторов, в том числе силу тяжести, – говорит руководитель исследования профессор аэрокосмической инженерии Скотт Уайт (Scott White). – Реагирующие жидкости, которые мы используем, образовывают гель достаточно быстро, так что он начинает затвердевать немедленно. Если этого не будет происходить, жидкость просто выльется за пределы поврежденной области. Образование геля сохраняет реагенты в жидком состоянии, а так как материал ещё недостаточно твёрдый, процесс восстановления может быть продолжен за счёт привлечения большего количества жидкости в отверстие".
Команда продемонстрировала свою систему регенерации на двух известнейших типах пластмасс:термопластах.
Исследователи также научились "настраивать" химические реакции, чтобы управлять скоростью образования и скоростью затвердевания геля (в зависимости от вида повреждения). Например, при попадании в материал пули кроме центрального отверстия образуется ещё и серия радиальных трещин. Поэтому реакция геля может быть замедлена, чтобы химическое вещество проникло во все щели до затвердевания.
Учёные уверены, что такая технология самовосстанавливающегося пластика, похожая на биологическое исцеление, может быть внедрена в производство уже в совсем недалёком будущем. Простая и эффективная методика изготовления сосудистых материалов уже существует, теперь необходимо оптимизировать состав регенерирующих химических агентов для разных типов материалов.
Такая способность может стать очень полезной для коммерческих товаров (к примеру, поцарапанный бампер автомобиля мог бы восстановить себя сам за несколько минут после аварии). Но ещё важнее изобретение для тех деталей и изделий, которые трудно заменить или отремонтировать, например, тех, что используются в аэрокосмической промышленности или на дне глубоких скважин.
Так как нынешняя работа частично финансируется ВВС США, вполне возможно, что американская армия рано или поздно получит в своё распоряжение, например, самовосстанавливающиеся щиты для военных.
Правда, в настоящее время восстановленный пластик становится несколько хуже оригинала: прочность восстанавливается примерно до 62% от первоначальной. Исследователям также предстоит проверить реакцию "отремонтированного" материала на реальные условия, такие как влажность или экстремальные температуры.
Подробности исследования были опубликованы в журнале Science.
