Rustbeskyttelse mod nanokapsler

Et særligt genialt middel til rustproblemet er muligvis snart tilgængeligt. Det er lykkedes forskere fra Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH i Düsseldorf og Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz at gøre to enorme skridt i retning af at udvikle en selvhelende antikorrosionsbelægning. I en undersøgelse, de indlejrede et par polymerkapsler i størrelse 100 nanometer, der indeholdt nyttelast mod korrosion i en belægning. De påførte belægningen på et metal og udsatte metallet for korrosion gennem en revne i belægningen. Derefter, kapslerne åbnede og frigav de beskyttende nyttelaster. Så snart det ætsende angreb sluttede, beholderne lukkede igen. I den anden undersøgelse, forskerne indkapslede stoffer i nanokontainere, der kan helbrede små revner og huller i den beskyttende metalbelægning. Forskerne viste derved, at beholderne blev kemisk ændret og frigav de helende nyttelast, da korrosionsprocessen startede. Beholderne lukkede derefter igen ved afslutningen af ​​det ætsende angreb.

Menneske- og dyrehud er eksemplarisk i mange henseender. Materialeforskere er især imponeret over den måde, hvorpå det helbreder sig selv, når det bliver beskadiget. De vil gerne forsyne antikorrosionsbelægninger med netop denne kapacitet, således at fine revner og små huller i belægninger ikke staver katastrofe på kort eller lang sigt for det underliggende metal. "Vi har gjort to gennembrud i jagten på intelligent korrosionsbeskyttelse, "rapporterer Michael Rohwerder, Leder af en forskningsgruppe ved Max-Planck-Institut für Eisenforschung.

Sammen med deres kolleger fra Max Planck Institute for Polymer Research, de Düsseldorf-baserede forskere testede kapsler fremstillet af den ledende polymer polyanilin som beholdere til antikorrosive stoffer. De havde dekoreret nanokapslerne med metal -nanopartikler for at generere passende elektrisk kontakt mellem beholderne og det metal, som de påførte kapslerne som komponenter i en belægning. Gennem en defekt i den beskyttende belægning, de udsatte metallet for korrosion ved at dryppe en dråbe saltvand ned på åbningen i den beskyttende belægning. Det ætsende angreb, imidlertid, havde ingen effekt, da væggene i polymerkapslerne blev porøse, lader stofferne i dem slippe ud, som derefter blokerede iltreduktionsprocessen.

Det elektrokemiske potentiale er den mest pålidelige nøgle til åbning af kapslerne

"Det afgørende her er at vælge det korrekte signal til åbning af kapselvæggen, "siger Michael Rohwerder. Kapslerne kan således åbnes rent mekanisk, når den beskyttende belægning ridses. Eller de kan reagere på en stigende pH -værdi, som kan ledsage processen med korrosion. Imidlertid, Max Planck -teamet valgte at udnytte det elektrokemiske potentiale som en kapselåbner, der punkterede polyanilindækslet gennem en proces med kemisk omdannelse. "Dette potentiale falder altid, når korrosion starter, "forklarer Rohwerder." Så det giver det mest pålidelige signal for kapslerne at åbne. "Desuden, elektrisk kontakt er påkrævet for at kapslerne også kan genkende den elektrokemiske alarm. Dette leveres af metal nanopartikler mellem kapselvæggen og metallet. Kapslerne registrerer, når korrosionen er stoppet gennem den samme informationskanal, da potentialet stiger konstant på dette tidspunkt. Kapselvæggen omstrukturerer derefter sig selv, og porerne lukkes igen.

Beholderne, hvor forskerne vedlagte nyttelast kan bruges til at danne en polymerhud. Disse nyttelaster kan polymerisere i en defekt og forsegle revnen eller hullet. Imidlertid, i denne undersøgelse påførte forskerne ikke kapslerne på et metal ved hjælp af en belægning for at teste dem for korrosion. De replikerede de kemiske forhold, der eksisterer i begyndelsen og slutningen af ​​korrosionsprocessen med reducerende og oxiderende stoffer og åbnede eller lukkede kapslerne på denne måde. "Vi var i stand til at gentage denne redoxproces med polyanilinkapslerne mere end 80 gange, "siger Daniel Crespy, en forskergruppeleder ved Max Planck Institute for Polymer Research, der havde tilsyn med undersøgelsen.

Olieholdige væsker kan indkapsles i en miniemulsion

Det faktum, at de helbredende stoffer kan indkapsles målrettet, er af særlig interesse fra kemikerens perspektiv. Dette er muliggjort af en teknik udviklet af forskere, der arbejder med Katharina Landfester ved Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz. De producerer en emulsion fra en vandig opløsning, hvori dråber olie flyder. En proces, der kun fungerer i begrænset omfang med mælk - efter et stykke tid fløden ophobes på toppen - blev perfektioneret af kemikerne. I deres miniemulsion, ikke kun er dråberne af olie tilsvarende små i størrelse, men de forbliver, takket være et par kemiske tricks, næsten helt stabil.

Inden Daniel Crespy og hans kolleger fint emulgerer det olieagtige væske i den vandige opløsning ved at blande det og bruge ultralyd, de tilføjer komponenterne til polymerkapslerne til den. Komponenterne reagerer kun for at producere langkædede molekyler, når kemikerne siver en anden kemisk ingrediens ned i den fremstillede emulsion, der opløses i vand og udløser polymerisationen præcist på overfladen af ​​oliedråberne. "Sådan kan vi indkapsle olieagtige væsker i et vandigt miljø, "siger Daniel Crespy. Dog, på trods af at det lyder som en simpel opskrift, de finere detaljer i processen er faktisk meget vanskelige at implementere. Under polymeriseringen, emulsionens kemiske miljø ændres, så dråberne af olie har en tendens til at aggregeres og normalt ville ophobes oven på vandet. "Men vi fandt en måde at stabilisere emulsionen, "siger Crespy.

Antikorrosionsstofferne skal gøres mere effektive

I øvrigt, det er ikke ligefrem let at bevise, at kapslerne kun frigiver midlet til heling af defekterne i en belægning, når det er nødvendigt. Til denne ende, forskerne i Mainz måtte isolere kapslerne efter hvert trin, fortrænge dem med passende opløsningsmidler og undersøge dem ved hjælp af nuklear magnetisk resonansspektroskopi, som gav oplysninger om mængderne af stofferne i kapslerne.

I de to seneste undersøgelser, forskergruppen fra Düsseldorf og Mainz udstyrede nanokapslerne med nogle af de funktioner, som en selvhelende korrosionsbelægning skulle levere. "Vi ønsker nu at omslutte de helbredende stoffer og antikorrosionsstofferne sammen i de samme kapsler, "siger Crespy, da kun begge stoffer tilsammen kan give omfattende beskyttelse mod ødelæggelse forårsaget af rust. Mens antikorrosionsstofferne hurtigt dæmper korrosionen, som den første standsning af blodgennemstrømningen i tilfælde af skade, de helbredende stoffer genopretter belægningens varige antikorrosive virkning. Imidlertid, som et helbredende sår, de har brug for mere tid til at udføre deres arbejde. "Indtil nu, det har ikke været muligt at indkapsle begge stoffer under de samme kemiske forhold, "siger Daniel Crespy. Det er det, han og hans kolleger gerne vil opnå.

Michael Rohwerder har også identificeret to yderligere udfordringer, der stadig skal overvindes, før det selvhelbredende antikorrosionssystem er fuldført. "Først, vi skal identificere hæmmende stoffer, der er lige så effektive, for eksempel, som kromater, "siger videnskabsmanden. Chromates sætter stadig standarden med hensyn til belægninger mod korrosion på nuværende tidspunkt; de bliver forbudt i et stigende antal applikationer på grund af deres toksicitet. "Sekund, vi skal sikre, at de helbredende stoffer hurtigere og i større mængder når en defekt, "siger Rohwerder. Indtil nu, de er blevet holdt tilbage af, at de ikke er særlig vandopløselige; korrosion, imidlertid, opstår kun, når en defekt udsættes for vand. Hvis det lykkes forskerne at gøre fremskridt med disse spørgsmål, det er helt muligt, at metalbelægninger vil være lig med levende hud, når det kommer til kræfter til selvhelbredelse.