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Plastik, das sich selbst heilt
Forscher der University of Illinois in Urbana-Champaign (UIUC) haben ein Polymermaterial hergestellt, das sich bei Rissen wiederholt selbst heilen kann. Es ist ein bedeutender Fortschritt in Richtung selbstheilender medizinischer Implantate und selbstreparierender Materialien für den Einsatz in Flugzeugen und Raumfahrzeugen. Es könnte auch zur Kühlung von Mikroprozessoren und elektronischen Schaltungen verwendet werden und könnte den Weg zu sich selbst regenerierenden Kunststoffbeschichtungen ebnen.
Selbstheiler: Der menschlichen Haut nachempfunden, besteht ein neues, mehrfach selbstheilendes Material aus zwei Schichten. Die Polymerbeschichtung oben enthält winzige Katalysatorstücke, die überall verstreut sind. Das Substrat enthält ein Netzwerk von Mikrokanälen, die ein flüssiges Heilmittel tragen. Wenn die Beschichtung reißt, breiten sich die Risse nach unten aus und erreichen die darunter liegenden Kanäle, aus denen Heilmittel austritt. Das Mittel vermischt sich mit dem Katalysator und bildet ein Polymer, das die Risse ausfüllt.
Das erste selbstheilende Material wurde von den UIUC-Forschern vor sechs Jahren beschrieben, und andere Forschungsgruppen haben seitdem verschiedene Versionen solcher Materialien entwickelt, darunter Polymere, die sich unter Hitze oder Druck immer wieder selbst reparieren. Aber dies ist das erste Mal, dass jemand ein Material hergestellt hat, das sich ohne äußere Eingriffe mehrmals selbst reparieren kann, sagt Nancy sottos , Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der UIUC und einer der Forscher, die die Arbeit geleitet haben.
Es ist im Wesentlichen so, als würde man einem Plastik Leben einhauchen, sagt Chris Bielawski , Chemieprofessor an der University of Texas at Austin. Das ultimative Ziel wäre es, Materialien zu schaffen, die sich selbst reparieren, sagt er, und dies ist ein erstaunlicher Proof of Concept.
Sottos und ihre Kollegen haben das neue Material entworfen, über das diese Woche berichtet wurde Naturmaterialien , um die menschliche Haut nachzuahmen. Wenn die äußere Schutzschicht der Haut durchtrennt wird, leitet die innere Schicht, die mit einem dichten Netzwerk winziger Blutgefäße durchzogen ist, Nährstoffe in die Wunde, um die Heilung zu unterstützen. Das selbstheilende Material besteht aus einer Epoxid-Polymerschicht, die auf einem Substrat aufgebracht ist, das ein dreidimensionales Netzwerk von Mikrokanälen enthält. Die Epoxidbeschichtung enthält winzige Katalysatorpartikel, während die Kanäle im Substrat mit einem flüssigen Heilmittel gefüllt sind.
Um das Material zu testen, biegen die Forscher es und knacken die Polymerbeschichtung. Der Riss breitet sich durch die Beschichtung nach unten aus und erreicht den darunter liegenden Mikrokanal. Dies veranlasst das Heilmittel, durch die Kanäle und in den Riss zu peitschen, sagt Sottos. Dort kommt es mit dem Katalysator in Kontakt und wird in ca. 10 Stunden zu einem Polymer und füllt den Riss aus. Das System benötigt keinen äußeren Druck, um das Heilmittel in den Riss zu drücken. Stattdessen bewegt sich die Flüssigkeit durch die engen Kanäle, genauso wie Wasser einen Strohhalm nach oben bewegt.
Die Forscher können die Oberfläche bis zu sieben Mal knacken und regenerieren, bevor sich der Katalysator abnutzt und nicht mehr funktioniert. Die nächste Generation des selbstheilenden Materials soll sich laut den Forschern noch viel mehr selbst heilen können. Sottos und ihre Kollegen entwerfen es so, dass es ein zweiteiliges System hat, das sowohl ein Heilmittel als auch einen Katalysator in den Riss injiziert.
Die Forscher könnten auch die Wiederheilungskapazität des Materials erhöhen, indem sie das Mikrokanal-Netzwerk an ein kleines Reservoir anschließen, sagt Sottos. Wenn dem Material das Heilmittel oder der Katalysator ausgeht, könnte das Reservoir mehr pumpen.
Das Mikrokanaldesign des Materials könnte eine Lösung für das zunehmende Problem der Wärmeentwicklung in Mikroelektronikchips sein. Typischerweise sitzen mikroelektronische Schaltungschips auf Substraten, die dafür ausgelegt sind, Wärme von der Schaltung abzuleiten. Diese Wärmeregler haben ihre Grenzen. Stattdessen, sagt Sottos, könnte man eine Kühlflüssigkeit durch ein [Mikrokanal-]Netzwerk wie einen kleinen Mini-Wärmetauscher leiten.
Sottos sagt, dass Forscher das gleiche Design mit anderen Harz- und Katalysatorkombinationen verwenden könnten, die unterschiedliche Polymere bilden können. Dies öffnet die Tür für viele andere Anwendungen. Während praktische selbstheilende Materialien noch Jahre entfernt sein mögen, ist ihre Anwendung in der Prothetik und medizinischen Implantaten aus biokompatiblen selbstheilenden Materialien leicht vorstellbar. Die Materialkosten könnten sie zumindest anfangs auf bestimmte hochwertige Hochleistungsanwendungen wie den Einsatz in Luft- und Raumfahrzeugen beschränken, sagt Ian Bond , Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Bristol, Großbritannien.
In Zukunft könnten unterschiedliche Chemien zu günstigeren selbstheilenden Materialien führen, so Bielawski. Sie könnten billige Epoxide … die Sie bei Home Depot kaufen können … als Heilmittel verwenden, sagt er.