Sy det hele sammen:Inspiration til seje og selvhelbredende materialer

Forestil dig, at du er en astronaut på en rumvandring. Du gør dit arbejde, da du pludselig får en advarsel:Dit jakkesæt lækker ilt. Et eller andet sted er der hul i dit jakkesæt, et hul så lille, at du ikke kan finde det.

Nogle materialer bør ikke gå i stykker, fordi resultaterne ville være katastrofale. Hvad hvis i stedet for at gå i stykker, kan disse materialer hærde på et svagt sted? Hvad hvis det hul i din astronautdragt kunne hele sig selv?

Biologiske systemer håndterer dette problem hele tiden. Nogle gange får fingrene hård hud, så de ikke bliver skåret. Hård hud dannes, når gentagen stress får huden til at blive sej. Den hårde hud giver modstand mod brud. Men nogle gange bliver fingrene skåret, og huden heler sig selv sammen igen ved at danne en sårskorpe på overfladen.

"Hvordan ved enheden, hvad den skal vokse og reparere?" spørger Rebecca Schulman fra Johns Hopkins University. "Er det muligt helt at undgå selvhelbredende problem?" Sidstnævnte spørgsmål er det samme, som huden stiller:Skal du danne en hård hud eller en sårskorpe?

Fremtiden for materialevidenskab dækker over et smørbord af applikationer:batterier, der reparerer sig selv, vindmøller robuste nok til at modstå de ekstreme kræfter, der påføres dem, eller langtidsholdbare enheder, der kun kræver udskiftning af små dele af og til. Før du kommer til disse applikationer, disse grundlæggende videnskabelige spørgsmål skal besvares. Disse spørgsmål er en af ​​grundene til, at Department of Energy (DOE) støtter forskning på dette område på universiteter og nationale laboratorier rundt om i landet.

Tag et atomkraftværk. Byggematerialerne omkring reaktorkernen skal modstå ekstrem varme og ekstrem stråling. Hvis byggematerialerne omkring kraftværker kunne reagere og rette sig selv, når de oplever høj varme eller stråling, så kunne de ordne skaden, inden det bliver et problem.

"Materialer er kernen i at hjælpe os med at styre vores energiforbrug og gøre tingene bæredygtige, " sagde Michael Strano fra Massachusetts Institute of Technology (MIT), der leder en DOE-indsats på MIT om selvhelbredende materialer, der udnytter atmosfærisk kuldioxid.

At forhindre behovet for fuldstændig at udskifte materialer er ønskværdigt ikke kun ud fra et omkostningseffektivitetssynspunkt, men også ud fra et bæredygtighedssynspunkt. "Som en videnskab, vi vil lave bedre materialer og bedre ting, " sagde Tomonori Saito fra DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Bedre materialer betyder mindre spild og mindre behov for at erstatte ødelagte og udtjente genstande. Vanskeligheden kommer, når man forsøger at gøre syntetisk, hvad naturen gør uden at tænke. Generelt, der er to måder at tackle dette problem på:gør materialer seje, så de ikke går i stykker, eller lave materialer, der heler sig selv, når de går i stykker.

Forebyggelse af brud

En tilgang er, at materialerne reagerer på en konstant stressfaktor i miljøet. Lad os sige, at du gentagne gange banker på en rude med en hammer. Hvad hvis glasset "ved" at blive stærkere, før det går i stykker? Den samme type proces kan anvendes på områder med fleksible materialer, som knæene på dine jeans. Efterhånden som den gentagne stress sker - som at bøje dine knæ, når du går - ville materialet blive tykkere omkring leddet og forstærke sig selv. Denne proces starter med at undersøge selvkorrigerende og beskyttende mekanismer, der findes i den naturlige verden.

"Når biologer eller biofysikere forstår den molekylære skala [af systemet], vi ser det og tænker, "Åh, det er fedt. Kan vi designe et syntetisk system?", sagde Zhibin Guan fra University of California, Irvine.

Den kemiske eller cellulære skala fortæller en levende historie om processen med systemer, der korrigerer sig selv og, Sommetider, beskytte sig selv.

"I biologi, mange systemer har en gradientforbindelse fra hårdt væv til blødt væv. Grænsefladen fra hård til blød er kritisk, " sagde Guan. Uden den rette gradientgrænseflade mellem de forskellige vævstyper, store ydre kræfter kan føre til brud på forbindelsen. Hvordan et system justerer og reagerer på en udefrakommende kraft producerer denne beskyttende kontakt mellem hårdt og blødt væv.

Guans undersøgelse var inspireret af den hårde ydre hud af en polychaete-orm. Ormens kæbe har en bemærkelsesværdig hård hud. Overgangen fra ormens bløde krop til den hårde ydre hud fascinerede Guans forskergruppe. Den hårde grænseflade sker ved at øge den kemiske binding mellem proteiner og metalioner i ormens kæbe. Brug af selektiv binding, kæben bliver sej - gør den i stand til at modstå kraften fra et bid.

Guan studerer denne grænseflade mellem hårdt og blødt væv for at replikere det i syntetiske materialer. I laboratoriet, de tager polymerer bestående af lange, gentage kemiske strukturer og indføre metalioner for at simulere sammensætningen af ​​ormens kæbe. Hvis materialet kunne mærke det svækkede område og kemisk reagere på det, styrkelse af svaghedens plet, materialet ville ikke gå i stykker.

I begyndelsen, den svækkede plet dannes, når der opstår mikroskader. Både i ormens kæbe og syntetiske materialer, denne skade sker på molekylært niveau. Stresset får små bindinger til at bryde mellem metalionerne og proteinerne. Disse obligationer, spinkel til at begynde med, nogle gange reformer.

Vanskeligheden kommer, når man forsøger at finde det glade medium mellem hård nok til ikke at gå i stykker, men ikke så sej, at materialet bliver ufleksibelt. Hvis materialet fortsætter med at blive sejt, når det udsættes for stress, til sidst vil det komme til det punkt, hvor det er helt stift. Så vil det være tilbøjeligt til at fejle af en anden grund.

Ideelt set hårde materialer ville vende denne fortykkelsesproces med jævne mellemrum for at forhindre, at stivheden bliver permanent. At forstå kemien bag de biologiske processer er nøglen til at signalere, hvornår et materiale kunne slappe af. Inden da truslen om en katastrofal fiasko ville være forbi. Materialet kan reagere igen, når en anden stressfaktor påvirker systemet.

Imidlertid, som Schulman bemærkede, der er flere spørgsmål at besvare, før du når til det punkt. At få et materiale til at reagere på stress er svært selv i et laboratorium. Mens biologiske systemer har metoder på plads til at kommunikere skader, kemisk signalering i syntetiske systemer er vanskeligere end i levende systemer. Levende systemer har hele organiserede strukturer dedikeret til signalering. Syntetiske materialer består ofte som en eller kun få typer kemiske enheder uden en integreret måde at udløse denne hærdning på. Så den anden tilgang involverer at lave materialer, der heler brud, når de sker.

Retter en pause

En katastrofal fiasko behøver ikke at være stor og dramatisk for at forårsage alvorlige problemer. Tag rumdragtens eksempel. Et lille brud i dragtmaterialet kan være katastrofalt for astronauten; at gøre dragten i stand til at hele sig selv præsenterer en mulig løsning.

Hvad gør en materiel selvhelbredende præcis? Ligesom den måde, huden heler sig selv på, disse materialer bruger kemiske egenskaber til at "helbrede" sig selv.

I syntetiske materialer, selvhelbredelse involverer reparation. De kemiske bindinger skal kunne reformeres, især efter katastrofale fiaskoer. Når skaden får materialet til at svigte, den skal kunne sy sig sammen igen, ligesom et sår på huden gør.

Denne form for reparation sker nede på molekylært niveau. Saitos forskning fokuserer på at udvikle roman, selvhelbredende polymerer og sigter på at forstå denne kemiske reaktion. Saito tager et ark af en specialfremstillet polymer og river det fra hinanden. På det kemiske plan, disse polymerer arbejder på at reformere bindinger og sy sig sammen. Nøglen er at forstå den kemiske trigger, der fortæller dem, at de skal sy sig sammen.

For at bruge dette syntetisk, Schulman henter inspiration fra celler. "Celler kommunikerer om, hvad der skal være på et bestemt sted, " sagde hun. "De bruger trådløs signalering gennem kemikalier."

Det har været en udfordring at oversætte denne systemomspændende reaktion til et syntetisk materiale. Mens et helt netværk af signaler i biologiske systemer reagerer på brud, en syntetisk polymer er normalt kun lavet af nogle få komponenter. Hvordan materialet kunne kommunikere til de kemiske komponenter for at sy sammen igen, er et særligt vanskeligt forslag. Materialet skal opdage skader eller brud og reagere i overensstemmelse hermed.

Schulman bemærkede, at syntetiske materialer ikke har robustheden af ​​biologiske systemer. Når et stykke fejler, hele systemet fejler ofte. "Celler kan leve organismens levetid, men proteinerne vender mange gange inde i cellen, " hun sagde.

Mens materialevidenskaben, der fokuserer på selvhelbredelse, zoomer ind på det ekstreme kemiske niveau, det større billede viser anvendelserne af selvhelbredende materialer, og hvordan disse ting kan ændre selv grundlæggende ideer om, hvordan infrastruktur fungerer.

Strano kan lide at sammenligne mulighederne for selvhelbredende materialer med den måde, en træstamme vokser på. Træer indånder kuldioxid og næringsstoffer fra jorden og bruger disse til at bygge stammen. Ved at trække deres byggematerialer fra luften, de har konstant adgang.

"Materialet kan blive stærkere med tiden, " sagde Strano. Når materialer er omgivet af deres byggematerialer, der er måske ingen grænse for, hvor længe de kan holde.