Huipputekniset materiaalit, kuten grafeeni - ohut hiililevy, jonka paksu on vain yksi atomi - ovat entistä kevyempiä, vahvempia ja helpompi tuottaa joka päivä, ja ne tarjoavat uuden potentiaalin toimialojen muuttamiseksi veden suolan suolasta aurinkokennoihin ja tautien havaitsemiseen.
Asiaan liittyvä sisältö
- Upcycling-keksijät julkaisivat manifestinsa muoviseen kirjaan. Miksi?
Mutta ihmisen tekemistä materiaaleista puuttuu vielä yksi erittäin toivottu laatu, jota esiintyy luonnollisesti kasvien juurissa ja ihmisen iholla: kyky parantaa itseään.
Scott Whitein johtama ryhmä Illinoisin yliopistosta Urbana-Champaignissa on pyrkinyt muuttamaan tätä lisäämällä keinotekoisen verisuonijärjestelmän muoviin. Ajatuksena on täyttää materiaalin näennäissuonit kemiallisesti reaktiivisilla nesteillä, jotta muovia repimällä aineet voivat yhdistyä ja jähmettyä kuin veren hyytyminen, suojaten esinettä lisävaurioilta.
Esittelyvideossa joukkue testaa tekniikkaa muovikalvolla, pumppaamalla kaksi nestettä erillisten kanavien kautta esineeseen ennen materiaalin puhkaisemista 4 millimetrin poralla. Porahaava aiheutti halkeamia, jotka vapauttivat nestekanavat, mutta verisuonijärjestelmän ansiosta nesteet huuhtoutuivat reikään ja halkeamia, muodostaen 20 minuutissa paksu geeli, joka esti vaurioiden leviämisen. Geeli jähmettyi kolmessa tunnissa, korjaten lopulta itsensä olevan noin 60 prosenttia yhtä vahva kuin alkuperäinen materiaali, joukkueen mukaan.
Tutkijat harkitsevat tekniikan käyttöä kaiken suojaamiseksi sotilasvälineistä aina rakennusmateriaaleihin - mikä säästää aikaa ja työvoimaa hätätilanteissa tai vaikeasti tavoitettavissa työpaikoissa.
Kemiallinen sekoitus- ja jähmettymisprosessi saattaa kuulostaa tutulta jokaiselle, joka on koskaan käyttänyt rautakaupasta ostettua epoksihartsia. Mutta tutkimuksen avustaja Brett Krull sanoo, että ryhmä on siirtynyt pois epokseista suurelta osin niiden hitaan reaktioajan vuoksi.
Vaikka uusi muovi tuottaa epoksien kaltaisen vaikutuksen, se auttaa korjaamaan vaurioita nopeammin, Krull sanoo.
Perusero:
"Suunnittelimme järjestelmämme läpi kaksi erilaista siirtymää", kun taas epoksihartsi toimii eri tavalla, Krull sanoo. "Kaksi kemiallista reaktiota alkaa heti sekoittamisen jälkeen, mutta ne tapahtuvat paljon eri aikatauluissa."
Krull sanoo, että ensimmäinen reaktio muuttaa seoksen pehmeäksi geeliksi 30 sekunnissa. Tämä pitää kemikaalit paikoillaan vaurioituneen alueen sisällä antaen silti mahdollisuuden kuljettaa enemmän nesteitä reikään tai halkeamaan, kunnes se on täytetty. Toinen reaktio, joka muuttaa kemikaalit kiinteäksi, tapahtuu jälkeenpäin nopeudella, jota voidaan säätää muuttamalla kemikaalien koostumusta ja konsentraatioita.
"Kemiamme ei lähesty luonnollisen järjestelmän monimutkaisuutta", Krull sanoo, "mutta olemme suunnitelleet järjestelmän, joka reagoi ajasta riippuvaisesti vaurioihin."
White ja hänen tiiminsä ovat aiemmin osoittaneet kykyä parantaa mikroskooppisia halkeamia eri tavalla, käyttämällä epoksia ja upotettuja mikropallosia. Mutta uusi verisuoninen lähestymistapa sallii korjauksen paljon suuremmassa mittakaavassa. Tekniikkaa voitaisiin käyttää esimerkiksi kaasun korjaamiseen vedenalaisen poran sivussa tai meteorin kanssa törmäävän avaruusaluksen poikkimerkki.
Tutkijoilla on edelleen haasteita, kun he jatkavat itsekuulevien materiaalien kehittämistä, muun muassa kuinka lisätä materiaalin (tässä tapauksessa muovi) verisuoniverkkojen tehokkuutta vähentämättä merkittävästi sen lujuutta tai suorituskykyä. Joukkue haluaa myös antaa materiaalille kyvyn parantua useista "haavoista" ajan myötä.
Kemikaalit on myös todennäköisesti mukautettava käsittelemään suurempia vaurioiden alueita. New Scientistin mukaan materiaalin reikät, jotka olivat suurempia kuin 8 mm, aiheuttivat kemikaalien notkaantumisen. Ryhmän mielestä vaahdon käyttäminen kanavissa nesteen sijasta antaa materiaalille parantua suuremmilla alueilla, vaikka tutkijoiden ei ole vielä testattu tätä vaihtoehtoa.
Krull sanoo, että he pyrkivät myös tekemään materiaalista tehokasta erilaisissa ympäristöissä, kuten äärimmäisissä lämpötiloissa, vedenalaisessa tai avaruudessa. (Toistaiseksi testaus on ensisijaisesti tehty laboratoriossa).
Vaikka tekniikka voi jonain päivänä olla matkalla kulutustavaroihin, älä odota, että nämä itseparantuvat materiaalit korjaavat maagisen tapaan iPhonen tai auton puskurin takaosaa. Teknologia on vielä kehitysvaiheessa, Krull sanoo. Ja koska tutkimusta rahoittaa Yhdysvaltain ilmavoimat, sitä todennäköisesti käytetään ensin hävittäjissä, tankkeissa tai avaruusaluksissa yhdessä vaikeasti korjattavien laitteiden kanssa, kuten vedenalaiset porauslaitteet.
Mutta se on vasta alku siihen, mitä materiaali voi tehdä, Krull sanoo.
"Nykyinen versio on enemmän kuin arpi, koska parannettu materiaali ei ole aivan yhtä hyvä kuin alkuperäinen", Krull sanoo. "Pitkän matkan tavoitteemme on kehittää todella regeneratiivinen polymeeri, jossa vahinkotapahtumasta kadonnut materiaali voidaan korvata saman koostumuksen materiaalilla."
