211service.com
Plast som läker sig själv
Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign (UIUC) har gjort ett polymermaterial som kan läka sig själv upprepade gånger när det spricker. Det är ett betydande framsteg mot självläkande medicinska implantat och självreparerande material för användning i flygplan och rymdfarkoster. Det kan också användas för att kyla mikroprocessorer och elektroniska kretsar, och det kan bana väg mot plastbeläggningar som regenererar sig själva.
Självläkande: Modellerat på mänsklig hud, ett nytt material som läker sig själv flera gånger är gjort av två lager. Polymerbeläggningen på toppen innehåller små katalysatorbitar utspridda. Substratet innehåller ett nätverk av mikrokanaler som bär ett flytande läkmedel. När beläggningen spricker sprider sig sprickorna nedåt och når de underliggande kanalerna som sipprar ut läkmedel. Medlet blandas med katalysatorn och bildar en polymer som fyller ut sprickorna.
Det första självläkande materialet rapporterades av UIUC-forskarna för sex år sedan, och andra forskargrupper har skapat olika versioner av sådana material sedan dess, inklusive polymerer som repeterar sig själva när de utsätts för värme eller tryck. Men det här är första gången någon har gjort ett material som kan reparera sig självt flera gånger utan någon extern inblandning, säger Nancy sottos , materialvetenskap och ingenjörsprofessor vid UIUC och en av forskarna som ledde arbetet.
Det är i grunden som att ge liv åt en plast, säger Chris Bielawski , en kemiprofessor vid University of Texas i Austin. Det slutliga målet skulle vara att skapa material som lagar sig själva, säger han, och det här är ett fantastiskt proof of concept.
Sottos och hennes kollegor har designat det nya materialet, rapporterat i veckans Naturmaterial , för att efterlikna mänsklig hud. Om hudens yttre skyddande skikt skärs bort, för det inre skiktet, som är infunderat med ett tätt nätverk av små blodkärl, näringsämnen till snittet för att hjälpa till med läkning. Det självläkande materialet består av ett epoxipolymerskikt avsatt på ett substrat som innehåller ett tredimensionellt nätverk av mikrokanaler. Epoxibeläggningen innehåller små katalysatorpartiklar, medan kanalerna i substratet är fyllda med ett flytande läkmedel.
För att testa materialet böjer forskarna det och knäcker polymerbeläggningen. Sprickan sprider sig ner genom beläggningen och når den underliggande mikrokanalen. Detta uppmanar läkmedlet att piska genom kanalerna och in i sprickan, säger Sottos. Där kommer den i kontakt med katalysatorn och på cirka 10 timmar blir den en polymer och fyller ut sprickan. Systemet behöver inget yttre tryck för att trycka in läkningsmedlet i sprickan. Istället rör sig vätskan genom de smala kanalerna precis som vatten rör sig uppför ett sugrör.
Forskarna kan spricka och återläka ytan så många som sju gånger innan katalysatorn slits ut och slutar fungera. Nästa generation av det självläkande materialet borde kunna läka sig själv många fler gånger, enligt forskarna. Sottos och hennes kollegor designar den så att den kommer att ha ett tvådelat system som injicerar både ett läkande medel och en katalysator i sprickan.
Forskarna kan också öka materialets återläkningskapacitet genom att ansluta mikrokanalnätverket till en liten reservoar, säger Sottos. Om materialet tar slut på läkmedel eller katalysator kan behållaren pumpa in mer.
Materialets mikrokanaldesign kan vara en lösning på det ökande problemet med värmeuppbyggnad i mikroelektronikchips. Vanligtvis sitter mikroelektroniska kretschips på substrat som är utformade för att leda bort värme från kretsen. Dessa värmeregulatorer har sina gränser. Istället, säger Sottos, kan du lägga en kylvätska genom ett [mikrokanal] nätverk som en liten minivärmeväxlare.
Sottos säger att forskare kan använda samma design med andra harts- och katalysatorkombinationer som kan bilda olika polymerer. Detta öppnar dörren för många andra applikationer. Även om praktiska självläkande material kan vara år borta, är det lätt att föreställa sig deras tillämpningar i proteser och medicinska implantat gjorda av biokompatibla självläkande material. Kostnaden för materialen kan hålla dem begränsade, åtminstone initialt, till vissa högvärdiga, högpresterande applikationer som användning i luft- och rymdfarkoster, säger Ian Bond , professor i flygteknik vid University of Bristol, Storbritannien.
I framtiden kan olika kemier leda till billigare självläkande material, enligt Bielawski. Du kan använda billiga epoxier ... som du kan köpa på Home Depot ... som ett läkande medel, säger han.