Geavanceerde materialen zoals grafeen - een dunne laag koolstof met slechts één atoom dik - worden elke dag lichter, sterker en gemakkelijker te produceren, en bieden nieuw potentieel om industrieën te transformeren van ontzilting van water naar zonnecellen en detectie van ziekten.
gerelateerde inhoud
- De uitvinders van Upcycling publiceerden hun manifest in een plastic boek. Waarom?
Maar onze door de mens gemaakte materialen missen nog steeds een zeer gewenste kwaliteit die van nature voorkomt in de wortels van planten en de menselijke huid: het vermogen om zichzelf te genezen.
Een team onder leiding van Scott White aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign heeft dit willen veranderen door een kunstmatig vaatstelsel aan kunststof toe te voegen. Het idee is om de pseudo-aders van het materiaal te vullen met chemisch reactieve vloeistoffen, zodat wanneer het plastic wordt gescheurd, de stoffen kunnen combineren en stollen als stollend bloed, waardoor het object wordt beschermd tegen verdere schade.
In een demonstratievideo test het team de techniek op een plastic blok, waarbij twee vloeistoffen door afzonderlijke kanalen in het object worden gepompt voordat het materiaal met een boor van 4 millimeter wordt doorboord. De boorwond veroorzaakte scheuren waardoor de vloeistofkanalen vrijkwamen, maar dankzij het vasculaire systeem sijpelden de vloeistoffen in het gat en barsten, vormden in 20 minuten een dikke gel die de verspreiding van de schade stopte. De gel stolde in een kwestie van drie uur en herstelde zichzelf volgens het team tot ongeveer 60 procent zo sterk als het oorspronkelijke materiaal.
Onderzoekers stellen voor om de technologie te gebruiken om alles te beschermen, van militair materieel tot bouwmaterialen - wat mogelijk tijd en mankracht bespaart in noodsituaties of moeilijk bereikbare werklocaties.
Het chemische meng- en stollingsproces klinkt misschien bekend in de oren voor iedereen die ooit epoxyhars heeft gebruikt, gekocht bij een ijzerhandel. Maar Brett Krull, een co-auteur van het onderzoek, zegt dat het team is afgestapt van epoxy, voornamelijk vanwege hun trage reactietijden.
Hoewel het een effect produceert dat vergelijkbaar is met epoxy, helpt het nieuwe plastic om schade sneller te herstellen, zegt Krull.
Het fundamentele verschil:
"We hebben ons systeem ontworpen om twee verschillende overgangen te ondergaan, " terwijl epoxyhars anders werkt, zegt Krull. "Twee chemische reacties beginnen zodra het mengen plaatsvindt, maar ze gebeuren op veel verschillende tijdschalen."
Krull zegt dat de eerste reactie het mengsel binnen 30 seconden in een zachte gel verandert. Dit houdt de chemicaliën op hun plaats in het beschadigde gebied en laat nog steeds meer vloeistoffen toe in het gat of de barst totdat deze is gevuld. De tweede reactie, die de chemicaliën in een vaste stof verandert, vindt naderhand plaats met een snelheid die kan worden geregeld door de samenstelling en concentraties van de chemicaliën te veranderen.
"Onze chemie benadert de complexiteit van een natuurlijk systeem niet, " zegt Krull, "maar we hebben een systeem ontworpen met een tijdsafhankelijke reactie op schade."
White en zijn team hebben in het verleden aangetoond het vermogen om microscopische scheuren op een andere manier te genezen, met behulp van epoxy en ingebedde microsferen. Maar de nieuwe vaatbenadering maakt reparatie op veel grotere schaal mogelijk. De techniek kan bijvoorbeeld worden gebruikt om een snee in de zijkant van een onderwaterboor te repareren, of een pockmark op een ruimteschip dat tegen een meteoor botst.
Onderzoekers worden nog steeds geconfronteerd met uitdagingen terwijl ze doorgaan met het ontwikkelen van zelfhoorzittende materialen, waaronder hoe de effectiviteit van de vasculaire netwerken in het materiaal (in dit geval plastic) kan worden verhoogd zonder de sterkte of prestaties aanzienlijk te verminderen. Het team wil het materiaal ook de mogelijkheid geven om in de loop van de tijd te genezen van meerdere "wonden".
De chemicaliën zullen waarschijnlijk ook moeten worden aangepast om grotere schade aan te kunnen. Volgens New Scientist zorgden gaten in het materiaal die groter waren dan 8 mm ervoor dat de chemicaliën zakten. Het team denkt dat het gebruik van schuim in de kanalen in plaats van vloeistof het materiaal in staat zal stellen grotere gebieden te genezen, hoewel onderzoekers die optie nog moeten testen.
Krull zegt dat ze er ook naar zullen kijken om het materiaal effectief te maken in verschillende omgevingen, zoals extreme temperaturen, onder water of in de ruimte. (Tot nu toe is het testen voornamelijk in het lab gedaan).
Hoewel de technologie op een dag mogelijk zijn weg vindt naar consumentenproducten, verwacht niet dat deze zelfherstellende materialen de achterkant van je iPhone of de bumper van je auto nog behoorlijk repareren. De technologie bevindt zich nog in de beginfase van de ontwikkeling, zegt Krull. En omdat het onderzoek wordt gefinancierd door de Amerikaanse luchtmacht, wordt het waarschijnlijk eerst op straaljagers, tanks of ruimtevaartuigen gebruikt, samen met moeilijk te repareren apparaten, zoals boorapparatuur voor onder water.
Maar dat is slechts het begin van wat het materiaal zou kunnen doen, zegt Krull.
"De huidige versie is meer een litteken, omdat het genezen materiaal niet zo goed is als het origineel, " zegt Krull. "Ons doel op lange afstand is het ontwikkelen van een echt regeneratief polymeer waarbij materiaal dat verloren is gegaan door een schadegebeurtenis kan worden vervangen door materiaal met dezelfde samenstelling."
