Самовосстанавливающиеся материалы — уже далеко не фантастика
Фиона Макмиллан, PhD биологических наук, написала для Forbes колонку, где просто и понятно объяснила, что такое самовосстанавливающиеся материалы, как они устроены и где могут быть полезны — “The Rise Of Self-Healing Materials”. А я её перевела.
Вещи ломаются. Такова жизнь. Можно уронить смартфон и разбить экран, или неудачно припарковаться и поцарапать машину. Это раздражает и дорого обходится. Кроме того, иногда последствия незначительных повреждений могут быть очень серьезными. Если в бетонной плотине образуется крошечная трещина. Если в окне небоскреба образуется трещинка, а потом оно разбивается вдребезги. Если микроскопическая брешь на фюзеляже самолета растет и образует пробоину.
Замена треснувшего экрана планшета — это одно. Замена треснувших окон в высотном здании — задача посложнее. Обнаружение одной почти незаметной бреши в машине со шестью миллионами функциональных частей — задача с очень большой звёздочкой. Стандарты безопасности, тщательные проверки и техническое обслуживание, конечно, спасают жизни, но ещё было бы неплохо, если бы сломанные вещи могли сами себя восстанавливать. К счастью, мы живем во время ускоренного развития в области самовосстанавливающихся материалов.
Но что значит “самовосстанавливающийся” в данном контексте? Этот термин ассоциируется с чем-то биологическим и, действительно, “саморемонт” прерогатива живой материи, от восстановления ДНК и клеточной стенки у одноклеточных организмов до восстановления костей в наших телах. Но ни стекло в ваших окнах, ни ваш смартфон не живы и не разумны (отложим прогресс в области искусственного интеллекта на данный момент).
Конечно предпринимаются усилия по созданию самовосстанавливающихся материалов с использованием живых микроорганизмов, например, в случае самовосстанавливающегося бетона, где используются микробы для производства кальцита. Однако большинство “умных” материалов основаны на использовании полимеров.
Слово "полимер" пришло из греческого языка и буквально означает «множество частей». По сути, полимеры — крупные молекулы, которые состоят из множества повторяющихся единиц меньших молекул (“мономерных звеньев”, мономеров). Природные полимеры находятся в нас и вокруг нас. Растительная целлюлоза — это полимер, ДНК — это тоже полимер. Не менее длинный список синтетических полимеров: полистирол, нейлон, поливинилхлорид и так далее.
Когда что-то ломается, то на молекулярном уровне разрушаются связи между некоторыми молекулами. Полимеры могут самовосстанавливаться из-за способности этих молекулярных единиц реорганизовываться и повторно формировать связи друг с другом. Если сейчас экран вашего смартфона треснет, то для восстановления не хватит ресурса. Форма молекул такова, что связи между ними легко разрушить, при этом восстанавливаются (диффундируют) они долго и не могут самостоятельно вернуться в прежнее состояние.
Но самовосстанавливающийся полимер можно сконструировать так, чтобы он был химически "липким" вдоль линий разлома. Как здесь, когда полимерные цепи связаны со множеством пар атомов серы, образуя крошечный мост (так называемую дисульфидную связь).
Дисульфидные связи между полимерными цепями разрушаются и могут повторно соединяться, источник Wikimedia
Между этими атомами серы сильная связь, но не настолько сильная, как связи между атомами в основной цепи каждого полимера, поэтому когда этот материал повреждается, то нарушаются дисульфидные связи. При этом атомы серы очень “не любят” быть порознь и очень спешат опять соединиться. Между ними быстро восстанавливается связь.
Можно создать полимеры, которые будут реагировать на разные воздействия. Например, на небольшое давление — для соединения вместе двух частей нужно будет просто немного прижать их вместе. Или они могут реагировать на температуру. NASA разработала полимер, который не является пуленепробиваемым, наоборот, он “пулепробиваемый”: пуля разрушает полимер, но одновременно температура от удара приводит к тому, что полимер растапливается и соединяется, уплотняясь после прохождения пули. Несмотря на то, что он не идеален для бронежилетов, такой полимер подойдет для восстановления повреждений спутников и космических аппаратов, вызванных космическим мусором.
Такие умные материалы особенно полезны для исправления небольших повреждений, которые трудно обнаружить и до которых трудно добраться. Но другие самовосстанавливающиеся материалы разрабатываются так, что их регенерация происходит только в чрезвычайно специфических условиях, так что этот процесс можно контролировать.
Разрабатываются полимеры, которые восстанавливаются от воздействия волн света определенной длины. Представьте, что вы исправляете царапину на своем автомобиле, просто подсвечивая поврежденный участок небольшой УФ-лампой. Полимеры затекают в царапины и объединяются между собой, не оставляя ни малейшего следа повреждения.
Другие полимеры разрабатываются для реагирования на специфические электромагнитные поля. Это может пригодится, когда полимер не состоит из одной и той же повторяющейся молекулярной единицы, а содержит разные сегменты, которые реагируют на разные электромагнитные поля. Так можно создать материал поэтапно, выбирая какие поля будут использоваться. Звучит занудно, но это может быть чрезвычайно полезно для создания нано-схем.
Для самовосстанавливающихся материалов множество применений: от 3D-наноструктур, биосовместимых частей тела до космических кораблей.
Вот лишь несколько последних разработок:
Полимер для самовосстанавливающегося стекла
Самовосстанавливающиеся частицы золота
Самовосстанавливающаяся резина
Самовосстанавливающиеся кремниевые наночастицы для более “живучих” батарей