Forskere opdager en hurtigere måde at fremstille vaskulære materialer på

At udvikle selvhelbredende materialer er ikke noget nyt for Nancy Sottos, leder af Autonomous Materials Systems Group ved Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved University of Illinois Urbana-Champaign.

Med inspiration fra biologiske kredsløbssystemer - såsom blodkar eller bladene på et træ - har forskere fra University of Illinois Urbana-Champaign arbejdet på at udvikle vaskulariserede strukturelle kompositter i mere end et årti, skabe materialer, der er lette og i stand til at selvhelbredende og selvkøle.

Men nu, et team af Beckman-forskere ledet af Sottos og Mayank Garg, postdoc-forsker og hovedforfatter af den nyligt offentliggjorte Naturkommunikation papir, "Hurtig synkroniseret fremstilling af vaskulariserede termosæt og kompositter, "har forkortet en to-dages fremstillingsproces til cirka to minutter ved at udnytte frontal polymerisation af let tilgængelige harpikser.

"I de sidste mange år har vi ledt efter måder at lave vaskulære netværk i højtydende materialer, " sagde Sottos, som også er Swanlund Begavet Chair og leder af Institut for Materialevidenskab og Engineering i Illinois. "Dette er et reelt gennembrud for at lave vaskulære netværk i strukturelle materialer på en måde, der sparer en masse tid og sparer en masse energi."

Garg sagde, at den enkleste måde at forstå deres arbejde på er at forestille sig sammensætningen af ​​et blad med dets interne kanaler og strukturelle netværk. Nu, forestil dig, at bladet er lavet af et sejt strukturelt materiale; inde, væske strømmer gennem forskellige tude og kanaler i dens indbyrdes forbundne vaskulatur. I tilfældet med forskernes kompositter, væsken er i stand til at udføre en række funktioner, såsom køling eller opvarmning som reaktion på ekstreme miljøer.

"Vi ønsker at skabe disse livagtige strukturer, men vi ønsker også, at de bibeholder deres ydeevne over væsentligt længere tid sammenlignet med eksisterende infrastruktur ved at vedtage en tilgang, som biologi bruger allestedsnærværende, " Sagde Garg. "Træer har netværk til at transportere næringsstoffer og vand fra jorden mod tyngdekraften og transportere syntetiseret mad fra bladet til resten af ​​træet. Væskerne strømmer i begge retninger for at regulere temperaturen, dyrke nyt materiale, og reparere eksisterende materiale over hele træets livscyklus. Vi forsøger at replikere disse dynamiske funktioner i et ikke-biologisk system."

Imidlertid, at skabe disse komplekse materialer har historisk set været en lang, skræmmende proces for Autonomous Materials Systems Group. I tidligere forskning om selvhelbredende materialer, forskere havde brug for en varm ovn, vakuum, og mindst en dag til at skabe kompositterne. Den lange fremstillingscyklus involverede hærdning af værtsmaterialet og efterfølgende brænding eller fordampning af en offerskabelon for at efterlade hul, vaskulære netværk. Sottos sagde, at sidstnævnte proces kan tage 24 timer. Jo mere kompliceret det vaskulære netværk, jo sværere og mere tidskrævende er det at fjerne.

For at oprette værtsmaterialerne, forskere vælger frontal polymerisering, et reaktion-termisk diffusionssystem, der bruger generering og diffusion af varme til at fremme to forskellige kemiske reaktioner samtidigt. Varmen skabes internt under størkning af værten, og overskudsvarme dekonstruerer en indlejret skabelon i tandem for at fremstille det vaskulære materiale. Det betyder, at forskerne er i stand til at forkorte processen ved at kombinere to trin i ét, skabe de vaskulære netværk såvel som det polymeriserede værtsmateriale uden en ovn. Derudover den nye proces gør det muligt for forskere at have mere kontrol med oprettelsen af ​​netværkene, hvilket betyder, at materialerne kunne have øget kompleksitet og funktion i fremtiden.

"Med denne forskning, vi har fundet ud af, hvordan man indsætter vaskulære netværk ved at bruge frontal polymerisation til at drive vaskulariseringen, " sagde Sottos. "Det bliver gjort på få minutter nu i stedet for dage - og vi behøver ikke at sætte det i en ovn."

To processer i én:Tandempolymerisering og vaskularisering giver forskere mulighed for at skabe selvhelbredende strukturelle materialer i løbet af få minutter.

Selvhelbredende materialer kan være gavnlige overalt, hvor stærke materialer er essentielle for at opretholde funktion under vedvarende skade - såsom konstruktionen af ​​en skyskraber. Men i forskernes tilfælde, de mest sandsynlige anvendelser er til fly, rumskibe, og endda den internationale rumstation. Sottos forklarede, at materialer fremstillet på denne måde kunne fremstilles kommercielt om fem til 10 år, selvom forskerne bemærker, at alle nødvendige materialer og forarbejdningsudstyr i øjeblikket er kommercielt tilgængelige.

Beckman Institute direktør Jeff Moore, en Stanley O. Ikenberry Begavet Chair of chemistry, samt Philippe Geubelle, Bliss-professor i rumfartsteknik og executive associate dean for The Grainger College of Engineering, var også involveret i projektet.

Fra et beregningsmæssigt synspunkt, Geubelle forklarede, at han var i stand til at fange den frontale polymerisation og endoterme faseændring, der fandt sted i offerskabelonerne.

"Vi udførte adaptive, forbigående, ikke-lineære finite element-analyser for at studere denne konkurrence og bestemme betingelserne for, at denne samtidige frontale polymerisation og vaskularisering af gelen kan opnås, " sagde han. "Denne teknologi vil føre til en mere energieffektiv og væsentligt hurtigere måde at skabe kompositter på med komplekse mikrovaskulære netværk."

Takket være holdets tværfaglige opdagelse, dynamiske multifunktionelle materialer er nu nemmere at fremstille end nogensinde før.

"Denne forskning er en kombination af eksperimentelt arbejde såvel som beregningsarbejde, " sagde Garg. "Det kræver synkroniseret kommunikation mellem teammedlemmer fra forskellige discipliner - kemi, ingeniørarbejde, og materialevidenskab - for at revidere traditionelle ikke-bæredygtige produktionsstrategier."

"Der er ikke noget bedre end at se ideer boble op fra studerende og postdocs i AMS-gruppen som følge af interaktioner og fælles gruppemøder, "Moore tilføjede. "Moore-gruppen har studeret kædeudtræksdepolymeriseringsreaktioner i årevis. Det glædede mig, da jeg erfarede, at AMS-teamet erkendte, hvordan den termiske energi, der produceres i en varmeudviklende polymerisationsreaktion, kunne synkroniseres med kædeudpakning af depolymerisering i et andet materiale med det formål at fremstille kanaler. Første gang jeg så Mayanks resultater, Jeg tænkte ved mig selv, "Jeg ville ønske, jeg havde tænkt på den idé."