聚合物,治愈自己

材料,可以修补自己听起来像科幻小说,但他们是一个活跃的高分子化学领域的一部分。尼娜Notman缝合在一起的不同的研究

想象这样一幅场景:扭转你的伴侣的车慢慢的停车位,你突然听到砰的一声。你立即跳下车,看到问题的根源:一个具体的职位你莫名其妙地未能看到司机的座位。你紧张的同行在保险杠,看到一个小,但显然可见,划痕。你诅咒,羞怯地开车回家的。岂不是很幸福如果划痕已经在你回家之前面对音乐吗?

这个白日梦可以成为现实,由于涂料和其他高分子材料,可以治愈自己自主,今天在实验室正在开发。

所有高分子材料破坏的风险,特别是在划痕和眼泪的形式——这可能会影响他们的结构完整性和缩短其寿命。虽然维修使用补丁或胶水是可能的,但结果往往不到令人愉悦的审美和修补材料的强度修补后仍然可能会受到损害。在一辆车的情况下,有划痕的油漆的表面可以是昂贵的。在过去十年左右的时间里有各种各样的尝试研究实验室创建能够自我修复材料一旦受损,没有补丁,胶水或其他类型的干预。

催化剂胶囊

在2001年,斯科特白美国伊利诺伊大学和他的同事们发表的第一个示例基于胶囊的这样一个系统包含一个嵌入结构聚合物愈合剂。¹材料裂缝时,胶囊被打开和液体泄漏,流入裂缝通过毛细管作用。他们经历一次创建一个新的聚合物的反应,从而填补留下的空白的眼泪。在第一代系统中,胶囊含有液体单体二环戊二烯和拉布的催化剂是嵌入在矩阵。

裂缝形成的时候,你会得到释放的地方愈合剂和将工作到裂缝,它会接触到固相催化剂,启动(开环)在室温下聚合,”解释了白色。初始系统,高达75%的原始材料的强度可以恢复。从那时起,之前已有无数人尝试改善系统,包括嵌入的催化剂和单体在不同的胶囊,和超过90%的再生的原始力量现在已经实现了。

怀特和他的团队最近带领导电性的研究对再生受损微电子聚合组件。²如果一个微电子电路是撕裂,导电线坏了,系统将停止进行电力和组件需要更换。怀特的团队的解决方案是将导电材料成胶囊,当被打开将流入的差距导电线路,恢复电导率。

我们把液态金属、碳纳米管和石墨烯胶囊,然后表明,如果你释放他们,然后你可以恢复导电性的金属线,“Nancy Sottos团队成员解释说。我们已经表明,如果你把一把刀和切通过金属线在一个电路有一个灯泡,灯泡出去。胶囊在金属线发布一个导电剂和恢复电导率。

机械的

另一种完全不同的方法被白色的团队使用mechanophores -机械敏感单元设计成聚合物的支柱。把从两端mechanophore导致单位改变形状,触发的开始愈合反应。团队已经尝试了一系列不同的mechanophores,包括形成一个cyanoacrylate拉。

本质上,它是形成一个强力胶类型复杂的拉,”赛托斯说。最近,这是一个我们很兴奋,我们做了一个生成酸mechanophore,”她补充道。³酸催化聚合反应在材料。“我们所做的是使用武力来刺激这个生成酸mechanophore和我们的想法是,它将能够交叉链接聚合物,它可以治愈和强化的力量。”

当其中一个链是敲竹杠,潜在的催化剂被激活

无线电侦察Sijbesma荷兰埃因霍温科技大学正在领导一个团队致力于自治自愈系统激活的散装材料的撕裂。他的方法包括使用一个潜在的催化剂,把材料在压力下被激活。金属的催化剂由核心有两个强配体聚合物链的形式。当其中一个链,通过抓挠或撕裂材料、潜在的催化剂被激活。我们的理念是,如果你施加一个力聚合物链可以去除金属的配位体,然后金属可以作为催化剂,因为它有免费网站,它可以结合底物分子,“Sijbesma解释道。在这个系统所需单体反应的激活催化剂是免费的散装材料。

这个概念最初证明在解决方案,用来把超声波金属配体,⁴但现在已经被证明在固态工作。我们非常最近的发展,我们现在可以执行这个过程不仅在解决方案,但在固态塑性材料,“Sijbesma说。未发表的材料,我们必须通过所有的控制实验之前提交的手稿。但是现在看起来非常有前途的结果。”

这种方法的一个优点是使用一个潜在的催化剂,催化剂用于激活Grubbs相比白色胶囊系统。Sijbesma声称,这将延长系统的生命周期。当然,它确实有催化剂活化后最终死亡的陷阱,只有拥有一个固定的单体供应,限制系统的次数可以粘合。如系统的主要限制是扩散,我们正在调查,目前,“Sijbesma说。原则上你只能做有限的次数,因为一旦你开始聚合反应,激活催化剂消耗所有的单体的环境然后它死了,又不能被激活。

氢的帮助

Sijbesma的另一个潜在的问题的方法和白色的两个方法是“新”聚合物填充不同的裂缝主要的材料。这有潜在的问题,尤其是反复修复材料的强度。这是领导的研究小组Ludwik Leibler工业物理与化学高等教育研究所”的巴黎,法国,已经能够解决。

Leibler的系统是一个软橡胶、超分子体系由脂肪酸和尿素,由分子内氢键。⁵切割材料时,氢键断裂,立即开始寻找新的债券。仅仅持有的两端剪材料一起光压力足以鼓励新的氢键——因此愈合发生。通过减少材料你创建一个动态平衡的情况你有过度的开放的债券,他们寻找合作伙伴,如果你带了一段[它]它形成合作伙伴和材料愈合后,“Leibler解释道。

这个系统的意义是橡胶胶粘剂。还有其他的软材料,“治愈”,但他们都是粘稠的天性——就像嚼口香糖,例如。的挑战是设计的东西不是一个粘合剂,只有当你打破它成为可治好的,”他说。

自由氢键的寿命很短,Leibler解释说,因此他惊奇地发现,治疗仍能发生如果不推迟削减结束在一起超过一天后最初的削减。他说,他的团队正在努力理解这是为什么。相比之下,的时间结束前需要在一起疗愈发生非常快:强度恢复15分钟后在第一个原型资料但仅仅一分钟之后的新一代。

这个系统还有额外的好处,都是可逆的,所以治疗周期可以发生,次数不限。⁶它可以做很多次你想要的,”Leibler说。有一些认为缺点这种类型的系统,不需要触发(比如撕裂)开始愈合过程,其中之一是流动的可能性。“我怀疑系统改革本身没有要求的环境条件下触发将稳定的负载下,”说Christoph韦德专家可治好的聚合物在瑞士弗里堡大学。因为债券改革,如果你把系统压力下会屈服于压力,因此材料流。”然而,Leibler声称这不是一个问题:它不流”,因为它使一个网络,这个物理网络负责很长时间放松。三个月不会放松。”

要有光

到目前为止所有的系统讨论了自治,所以伤害本身就足以启动自我修复过程没有别的触发。但是有另一类可治好的(或可改善的)材料在外部刺激,如热或光需要启动反应。

这样一个系统是由韦德和他的合作者Stuart Rowan在克利夫兰凯斯西储大学,我们。他们使用了一种超分子系统由动态协调债券,而不是使用的较弱的氢键Leibler的系统。但是对于这两种方法,材料是均匀的;固定的部分是由相同的聚合物作为散装材料。和材料的设计,使它可以被医治,次数不限。

这种材料,我们由小分子聚合成高分子结构设计,”罗恩解释道。我们报告在2011年使用的刺激,⁷在这种情况下光,depolymerise聚合物,你最终小分子。减少材料的粘度,允许裂缝。“光源被移除时,分子re-aggregate repolymerises和材料,填充和恢复原来的实力的差距。

这些材料的第一代是基于metal-ligand交互,在光触发离解的金属橡胶交联阶段。然而,后人这个概念已经删除了需要的金属。

很多这些方法是互补的

这项工作的重要性在于使用光来产生热在一个局部的区域,而不是使用热风枪触发解聚。“什么光让你特别的目标非常有选择性的部分材料,”罗文说。我们使用的是一种光热光谱分析转换过程,所以材料设计吸收特定波长的光,这激发分子反过来导致局部加热。其余的材料保持完好无损,允许您治愈某种负载下的材料,”他解释说。

”必须与紫外线的吸收超分子的主题,”韦德说。我们用灯,类似于口腔牙医使用的灯当他们治疗牙科填充。韦德说,一种可能性是向最终用户提供轻笔让他们治愈材料一旦损坏。

韦德表明他的团队的概念验证材料可能最终发现使用涂料和散装材料,尽管他说这些超分子系统进一步的工作需要加强。“如果你看一下超分子系统,你会发现大多数的聚合物相对较软,他们不是很硬,所以使他们越来越严厉的一个方向,是通用的。”

本文中讨论的所有系统还在概念阶段,所有略有不同在他们的设计和优点和缺点。罗恩认为这是一件积极的事,说有一个地方为多个不同的系统在市场的地方。“当你看着这些不同的方法,它们都有不同的优点和缺点,”他解释说。很多这些方法相互补充。

当讨论当我们可以购买这些产品很明显比大多数的这些系统还是一个遥远的目标。但绝对是利益驱动思想的学术实验室,进入市场。“我知道很多公司对这个领域很感兴趣,”罗恩兴奋地说。

尼娜Notman位于索尔兹伯里的科学作家,英国