Материалы: исцели себя сам

Микрокапсулы (слева) и выделившийся при их разрушении восстанавливающий агент (справа).
Микрокапсулы (слева) и выделившийся при их разрушении восстанавливающий агент (справа).

Когда живое существо получает травму, в его теле запускается механизм самозаживления и раны зарастают. Неживые предметы в подобных случаях просто портятся. Исследователи из Института современных наук и технологий Бекмана (Beckman Institute for Advanced Science and Technology) при Иллинойском университете в Урбане-Шампейне (Beckman Institute for Advanced Science and Technology) и Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (University of Illinois at Urbana-Champaign) опубликовали в журнале Nature обзорную статью, посвящённую попыткам изменить такое положение дел.

Джефф Мур (Jeff Moore), Нэнси Соттос (Nancy Sottos) и Скотт Уайт (Scott White) более 15 лет работают в составе Autonomous Materials Systems Group (AMS Group) над созданием синтетических материалов, которые могут реагировать на окружение, восстанавливать повреждения и разрушаться, когда срок годности подходит к концу. Их первая работа, посвящённая самовосстанавливающимся полимерам, была опубликована в Nature более пятнадцати лет назад. Позже темой заинтересовались другие исследователи, и к настоящему моменту вышли уже сотни статей.

В новой публикации учёные рассказали, как от экспериментов с автономными материалами перешли к изучению жизненного цикла полимеров — того, что Мур называет «здоровым старением материала». «Живи долго, будь в форме, умирай быстро и не оставляй после себя мусор, — говорит он. — Мы хотим, чтобы материалы оставались в нормальном состоянии так долго, как только возможно, а когда придёт время, превращались из функциональной сущности в удобный источник вторичного сырья». Авторы исследования назвали пять функций, которые позволят полимерам существенно увеличить срок годности: самосохранение, самодиагностика (способность подавать сигналы о повреждениях), самовосстановление, регенерация и контролируемое разложение.

Самовосстановления материалов учёные добиваются, встраивая в них микрокапсулы или разветвлённую сеть каналов. Микрокапсулы — это мелкие шарообразные частицы, они содержат восстанавливающий агент, который автоматически высвобождается при определённых условиях. «У вас есть капсулы, которые остаются стабильными до тех пор, пока материал не подвергнется стрессу, который их разрушит. Открыть капсулы могут совершенно разные внешние воздействия», — объясняет Соттос. Другой вариант — интегрировать в полимер сеть каналов. Авторы работы отмечают, что, в отличие от капсул, каналы могут запускать процесс восстановления несколько десятков раз. Кроме того они способны изменять температурные или магнитные свойства полимеров и выполнять другие полезные функции.

Лучший способ избежать повреждений — предотвратить их появление. Для этого полимеры должны защитить себя от вредного воздействия среды — это и называют самосохранением (self-protection). Здесь учёным есть, где развернуться. Например, можно добавить в покрытие материала ингибиторы коррозии и вещества, образующие защитную плёнку при соприкосновении с водой. Однако материалы разрушаются не только от механического воздействия. Последнее время всё более популярными становятся композитные полимеры, которые теряют свои уникальные свойства при температуре свыше 200 градусов. Учёные предлагают охлаждать их изнутри с помощью циркуляции жидкости по сети каналов. А продлить жизнь литий-ионных аккумуляторов можно с помощью микрогранул: когда батареи нагреются слишком сильно, частицы растают, нарушат их электрическую проводимость, и устройство выключится до тех пор, пока не остынет.

Одна из самых сложных задач — создать автономные полимеры, способные не только к самовосстановлению, но и к регенерации. Она необходима в тех случаях, когда материал не просто повреждён, но и потерял значительное количество массы. Разницу между двумя понятиями легко объяснить на примере ящерицы: если она поцарапалась, нужно самовосстановление, если осталась без хвоста — регенерация. Для того чтобы полимеры могли устранить даже самые серьёзные повреждения, они должны обеспечить доставку достаточного количества агента и менять свойства, когда нужно. Ранее Мур и его коллеги работали с эпоксидным полимером, в котором были проделаны отверстия диаметром больше 3 сантиметров. Их удалось «залечить» только частично: вокруг остались трещины, а материал начал пропускать воду.

Последняя работа специалистов AMS Group посвящена полимерам, разрушающимся в ответ на сигнал из внешней среды. Его роль может выполнять что угодно: повышение температуры, попадание воды или УФ-излучение. Но существует и другой, противоположный, подход: создавать материалы, которые разлагаются постепенно и с нужной скоростью. Мур и его коллеги считают, что однажды технология контролируемой деградации позволит легко и быстро утилизировать устаревшие электронные устройства и снизит количество отходов.

За последние десятилетия учёные добились определённых успехов в производстве автономных материалов. Они создали полимеры, которые меняют цвет под влиянием деформации (самодиагностика), залечивают трещины и восстанавливают электрическую проводимость. На рынке появляются износоустойчивые чехлы для смартфонов и краски, способные устранять мелкие царапины. Но широкое практическое применение технологий пока сталкивается с трудностями. Во-первых, новые материалы тестируют, в основном, в лабораториях, в контролируемых условиях эксперимента, а они довольно далеки от реальной жизни. Во-вторых, механизмы восстановления слишком чувствительны к температуре, влажности, pH и концентрации кислорода. В-третьих, сами восстанавливающие агенты пока довольно дороги, а многие из них вдобавок токсичны. Но специалисты не сдаются и продолжают работу над «умными» материалами и возможно, однажды мы будем пользоваться более безопасными и надёжными продуктами.