Avanserte materialer som grafen - et tynt karbonark med bare ett atom tykt - blir lettere, sterkere og enklere å produsere hver dag, og tilbyr et nytt potensial for å transformere industrier fra vann avsalting til solceller og sykdomsdeteksjon.
Relatert innhold
- Oppfinnerne av Upcycling publiserte sitt manifest i en plastbok. Hvorfor?
Men våre menneskeskapte materialer mangler fremdeles en ettertraktet kvalitet som forekommer naturlig i røttene til planter og menneskelig hud: muligheten til å helbrede seg selv.
Et team ledet av Scott White ved University of Illinois i Urbana-Champaign har forsøkt å endre det ved å legge et kunstig vaskulært system til plast. Tanken er å fylle materialets pseudo-vener med kjemisk reaktive væsker, slik at når plasten blir revet, kan stoffene kombinere og størkne som blodpropp, og beskytte gjenstanden mot ytterligere skade.
I en demonstrasjonsvideo tester teamet teknikken på en plastblokk, og pumper to væsker gjennom separate kanaler inn i gjenstanden før det punkteres materialet med en 4-millimeter bor. Boresåret skapte sprekker som frigjorde væskekanalene, men takket være det vaskulære systemet ozøs væskene inn i hullet og sprekker, og dannet på 20 minutter en tykk gel som stoppet skaden fra å spre seg. Gelen stivnet i løpet av tre timer, og reparerte til slutt seg til å være omtrent 60 prosent så sterk som det originale materialet, ifølge teamet.
Forskere ser for seg å bruke teknologien for å beskytte alt fra militært utstyr til byggematerialer - potensielt sparer tid og arbeidskraft i nødsituasjoner eller arbeidsplasser som er vanskelig tilgjengelig.
Den kjemiske blandings- og størkningsprosessen kan høres kjent ut for alle som noen gang har brukt epoksyharpiks kjøpt fra en jernvarehandel. Men Brett Krull, som er medforfatter av forskningen, sier at teamet har flyttet seg fra epoksy, hovedsakelig på grunn av deres langsomme reaksjonstid.
Selv om det gir en effekt som ligner på epoksy, hjelper den nye plasten med å reparere skader må raskere, sier Krull.
Den grunnleggende forskjellen:
"Vi designet systemet vårt for å gjennomgå to forskjellige overganger, " mens epoksyharpiks fungerer annerledes, sier Krull. "To kjemiske reaksjoner initieres så snart blanding skjer, men de forekommer på mye forskjellige tidsrom."
Krull sier at den første reaksjonen gjør blandingen om til en myk gel innen 30 sekunder. Dette holder kjemikaliene på plass inne i det skadede området, og tillater fortsatt tilførsel av mer væske i hullet eller sprekker til det er blitt fylt. Den andre reaksjonen, som gjør kjemikaliene til et fast stoff, skjer etterpå, med en hastighet som kan kontrolleres ved å endre sammensetningen og konsentrasjonen av kjemikaliene.
"Vår kjemi nærmer seg ikke kompleksiteten i et naturlig system, " sier Krull, "men vi har designet et system med en tidsavhengig respons på skader."
White og teamet hans har vist evnen til å helbrede mikroskopiske sprekker på en annen måte tidligere, ved hjelp av epoksy og innebygde mikrosfærer. Men den nye vaskulære tilnærmingen muliggjør reparasjon i mye større skala. Teknikken kan brukes til å reparere en gash i siden av et undervannsbor, for eksempel, eller et pockmark på et romskip som kolliderer med en meteor.
Forskere står fremdeles overfor utfordringer når de fortsetter å utvikle selvhørende materialer, inkludert hvordan man kan øke effektiviteten til vaskulære nettverk i materialet (plast i dette tilfellet) uten å redusere styrken eller ytelsen betydelig. Teamet ønsker også å gi materialet evnen til å leges fra flere "sår" over tid.
Kjemikaliene vil sannsynligvis også måtte justeres for å håndtere større skadeområder. Ifølge New Scientist førte hull i materialet som var større enn 8mm til at kjemikaliene sank. Teamet tror at bruk av skum i kanalene i stedet for væske vil tillate materialet å helbrede større områder, selv om forskere ennå ikke har testet dette alternativet.
Krull sier at de også vil se ut for å gjøre materialet effektivt i forskjellige miljøer, som ekstreme temperaturer, under vann eller i rommet. (Så langt har testing først og fremst blitt utført på laboratoriet).
Selv om teknologien en dag kan komme til å forbruke produkter, kan du ikke forvente at disse selvhelbredende materialene på en magisk måte vil reparere baksiden av iPhone-en eller bilens støtfanger. Teknologien er fremdeles i de tidlige stadiene av utviklingen, sier Krull. Og fordi forskningen er finansiert av det amerikanske flyvåpenet, vil den sannsynligvis bli brukt på jagerfly, stridsvogner eller romfartøy først, sammen med enheter som er vanskelige å reparere, som boreutstyr under vann.
Men det er bare begynnelsen på hva materialet kan være i stand til, sier Krull.
"Den nåværende versjonen er mer som et arr siden det legede materialet ikke er like bra som originalen, " sier Krull. "Vårt lange avstandsmål er å utvikle en virkelig regenererende polymer der materiale som går tapt ved en skadehendelse kan erstattes med materiale med samme sammensetning."
