Китайські матеріалознавці змогли змусити жорсткий полімер самовідновитися після пошкодження під водою всього за десять секунд. Для цього пластикову трубку потрібно було лише стиснути пальцями. Новий матеріал здатний розтягуватися, піднімати більшу у дві тисячі разів за себе вагу, а також витримувати жорсткі умови навіть солоної води. Полімер достатньо жорсткий, а тому з нього пропонують виготовляти, наприклад, спорядження для водолазів чи використовувати для підводних комунікацій, щоб полегшити їхнє обслуговування. Стаття доступна у Advanced Functional Materials.
Відновлення трубки з нового матеріалу після пошкодження. New Scientist / YouTube
Як матеріали відновлюються після пошкодження?
Не зважаючи на успіхи матеріалознавства, більшість сфер нашого життя страждає через брак матеріалів, здатних протистояти екстремальним умовам навколишнього середовища. І тому навіть полімери, які вирізняються високою пластичністю, простотою в обробці, низькою щільністю та сумісністю з 3D-принтерами, страждають від руйнування і нездатності працювати в екстремальних середовищах. Тим часом вчені звертають увагу на здатність природних тканин самовідновлюватися після пошкодження та намагаються перенести цю здатність на синтетичні матеріали, щоб збільшити їм термін служби, міцність і безпечність. І це цілком можливо, наприклад, провокуючи самовідновлення міжмолекулярних зв'язків зовнішньою енергією від світла, тепла або тиску.
Зокрема це легко вдається полімерам, які мають міцні водневі зв'язки, здатні до реконфігурації. Однак, оскільки відновлення залежить саме від динаміки цих зв'язків, більш жорсткі зразки мають нижчу ефективність дифузії, а тому змушують матеріалознавців іти на компроміс між швидкістю самозагоєння пошкоджень та жорсткістю матеріалу. Так, наприклад, еластомерам при кімнатній температурі потрібні години для відновлення принаймні 80 відсотків їхньої міцності, якщо модуль деформації у них перевищує десять мегапаскалей.
Також природа процесу самовідновлення матеріалів — перебудовування міжмолекулярних зв'язків — все ще не дає можливості працювати з ними в екстремальних середовищах. Адже будівельні блоки матеріалу неминуче взаємодіють із середовищем (наприклад, зв'язуються з молекулами води), що призводить до необоротного падіння механічної міцності і здатності до загоєння. У своїй роботі вчені університету Цінхуа спробували наділити самовідновленням полімер і у воді, не позбавляючи його при цьому жорсткості.
Новий полімер витримує набагато більшу за себе вагу. Lili Chen et al. / Advanced Functional Materials, 2021
Що вчені руйнували у воді?
Оскільки завданням було забезпечити жорсткість та самовідновлення саме у воді, дослідники спробували поєднати м'який поліетилакрилат з полібензилметакрилатом за допомогою пі-стекінгу, укладаючи молекули паралельно, подібно книжкам у стосі (з англ. — stack). У цій конструкції полімеру взаємодія між електронегативними атомами кисню і електропозитивними вуглецевими ланцюгами стануть рушійними силами загоєння ушкоджень у матеріалі. Хоча зазвичай така взаємодія вважається слабкою — до десяти кілоджоулів на моль — численні такі взаємодії можуть забезпечити одночасно динамічне, але сильне зв'язування. У поєднанні із захисним ефектом гідрофобних бензольних кілець, такий матеріал зможе забезпечити водостійкість і загоєння з модулем пружності в 48 мегапаскалей. За словами вчених, він може відновлювати 82 відсотки своєї ударної в'язкості протягом п'яти хвилин, перевершуючи всі існуючі матеріали. Причому час загоєння не змінюється ні у кислих, ні у солоних розчинах.
Приклад утворення пі-зв'язків (π-π-взаємодія) у бензольних кільцях. Emily ricq / Wikimedia Commons
Як він самовідновився?
У підсумку вченим вдалося отримати жорсткий еластомер з модулем Юнга в 48 мегапаскалей (в 24 рази більше, ніж у натурального еластомеру), який може швидко самовідновлюватися, повертаючи собі 90 відсотків максимальної міцності протягом десяти секунд при кімнатній температурі у суворих середовищах. Його можна розтягнути на 1400 відсотків без руйнування, а сам він витримає вагу, в дві тисячі разів більшу за свою. Свої властивості йому вдалося зберегти і після місяця, проведеного у солоній воді. Сфера з такого матеріалу змогла витримати сильні удари молотка без будь-якої деформації, а покритій цим полімером трубці з ПВХ вдалося повернути цілісність простим натисканням пальця на зламане місце протягом декількох секунд. Так, наприклад, дайвер зможе зупинити витік кисню у своєму обладнанні.