Stel je voor dat je een astronaut bent op een ruimtewandeling. U doet uw werk wanneer u plotseling een melding krijgt:uw pak lekt zuurstof. Ergens zit een gat in je pak, een gaatje zo klein dat je het niet kunt vinden.

Sommige materialen mogen niet breken omdat de resultaten catastrofaal zouden zijn. Wat als in plaats van te breken, deze materialen op een zwakke plek kunnen uitharden? Wat als dat gat in je astronautenpak zichzelf zou kunnen genezen?

Biologische systemen behandelen dit probleem de hele tijd. Soms krijgen vingers eelt zodat ze niet worden gesneden. Eelt ontstaat wanneer herhaalde stress ervoor zorgt dat de huid harder wordt. De taaie huid biedt weerstand tegen breken. Maar soms worden vingers gesneden en geneest de huid zichzelf weer door een korstje aan de oppervlakte te vormen.

"Hoe weet het apparaat wat het moet teruggroeien en repareren?" vraagt ​​Rebecca Schulman van de Johns Hopkins University. "Is het mogelijk om het probleem van zelfgenezing helemaal te vermijden?" De laatste vraag is hetzelfde wat de huid vraagt:moet je een eelt of een korstje vormen?

De toekomst van de materiaalwetenschap omvat een mengelmoes aan toepassingen:batterijen die zichzelf repareren, windturbines die robuust genoeg zijn om de extreme krachten die erop worden uitgeoefend te weerstaan, of duurzame apparaten die slechts af en toe kleine onderdelen moeten vervangen. Voordat u naar deze toepassingen gaat, deze fundamentele wetenschappelijke vragen moeten worden beantwoord. Deze vragen zijn een van de redenen waarom het Department of Energy (DOE) onderzoek op dit gebied aan universiteiten en nationale laboratoria in het hele land ondersteunt.

Neem een ​​kerncentrale. De bouwmaterialen rond de reactorkern moeten bestand zijn tegen extreme hitte en extreme straling. Als de bouwmaterialen rond energiecentrales zouden kunnen reageren en zichzelf corrigeren bij hoge hitte of straling, dan kunnen ze de schade herstellen voordat het een probleem wordt.

"Materialen zijn essentieel om ons te helpen ons energieverbruik te beheersen en dingen te verduurzamen, " zei Michael Strano van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), die een DOE-inspanning leidt bij MIT op zelfherstellende materialen die atmosferische koolstofdioxide gebruiken.

Het voorkomen van de noodzaak om materialen volledig te vervangen is niet alleen wenselijk vanuit het oogpunt van kostenefficiëntie, maar ook vanuit het oogpunt van duurzaamheid. "Als wetenschap we willen betere materialen en betere dingen maken, " zei Tomonori Saito van het DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Betere materialen betekenen minder afval en minder noodzaak om kapotte en kapotte items te vervangen. De moeilijkheid komt wanneer men synthetisch probeert te doen wat de natuur doet zonder na te denken. In het algemeen, er zijn twee manieren om dit probleem aan te pakken:materialen taai maken zodat ze niet breken, of materialen maken die zichzelf genezen als ze breken.

Breuk voorkomen

Een benadering is dat de materialen reageren op een constante stressfactor in de omgeving. Stel dat u herhaaldelijk met een hamer op een ruit tikt. Wat als het glas "weet" sterker te worden voordat het breekt? Hetzelfde type proces kan worden toegepast op gebieden met flexibele materialen, zoals de knieën van je spijkerbroek. Als de herhaalde stress optreedt - zoals het buigen van je knieën tijdens het lopen - zou het materiaal rond het gewricht dikker worden en zichzelf versterken. Dit proces begint met het onderzoeken van zelfcorrigerende en beschermende mechanismen die in de natuurlijke wereld worden aangetroffen.

"Als biologen of biofysici de moleculaire schaal [van het systeem] begrijpen, we zien dat en denken, "Oh, dit is cool. Kunnen we een synthetisch systeem ontwerpen?", zei Zhibin Guan van de Universiteit van Californië, Irvine.

De chemische of cellulaire schaal vertelt een levendig verhaal over het proces van systemen die zichzelf corrigeren en, soms, zichzelf beschermen.

"In de biologie, veel systemen hebben een gradiëntverbinding van harde weefsels naar zachte weefsels. De interface van hard naar zacht is cruciaal, " zei Guan. Zonder de juiste gradiëntinterface tussen de verschillende weefseltypes, grote krachten van buitenaf kunnen leiden tot een breuk in de verbinding. Hoe een systeem zich aanpast aan en reageert op een kracht van buitenaf, produceert dit beschermende contact tussen harde en zachte weefsels.

De studie van Guan was geïnspireerd op de taaie buitenhuid van een polychaete worm. De kaak van de worm heeft een bijzonder taaie huid. De overgang van het zachte lichaam van de worm naar de taaie buitenhuid intrigeerde Guans onderzoeksgroep. De harde interface vindt plaats door de chemische binding tussen eiwitten en metaalionen in de kaak van de worm te vergroten. Met behulp van selectieve binding, de kaak wordt harder - waardoor het bestand is tegen de kracht van een beet.

Guan bestudeert dit grensvlak tussen harde en zachte weefsels om het te repliceren in synthetische materialen. In het labortorium, ze nemen polymeren bestaande uit lange, chemische structuren herhalen en metaalionen introduceren om de samenstelling van de kaak van de worm te simuleren. Als het materiaal het verzwakte gebied zou kunnen waarnemen en er chemisch op zou kunnen reageren, versterking van de plek van de zwakte, het materiaal zou niet breken.

In het begin, de verzwakte plek vormt zich bij microschade. In zowel de kaak van de worm als in synthetische materialen, deze schade gebeurt op moleculair niveau. De stress zorgt ervoor dat kleine bindingen tussen de metaalionen en de eiwitten breken. Deze obligaties, zwak om mee te beginnen, soms hervormen.

De moeilijkheid komt wanneer je probeert de gulden middenweg te vinden tussen sterk genoeg om niet te breken, maar niet zo sterk dat het materiaal inflexibel wordt. Als het materiaal blijft taaien als het stress ervaart, uiteindelijk zal het op het punt komen dat het volledig stijf is. Dan zal het om een ​​andere reden vatbaar zijn voor mislukking.

Ideaal, taaie materialen zouden dit verdikkingsproces periodiek omkeren om te voorkomen dat die stijfheid permanent wordt. Het begrijpen van de chemie achter de biologische processen is de sleutel tot het signaleren wanneer een materiaal kan ontspannen. Dan, de dreiging van een catastrofale mislukking zou zijn geweken. Het materiaal kan opnieuw reageren wanneer een andere stressor het systeem beïnvloedt.

Echter, zoals Schulman opmerkte, er zijn verschillende vragen die moeten worden beantwoord voordat we op dat punt komen. Een materiaal laten reageren op stress is zelfs in een laboratorium moeilijk. Terwijl biologische systemen methoden hebben om schade te communiceren, chemische signalering in synthetische systemen is moeilijker dan in levende systemen. Levende systemen hebben hele georganiseerde structuren gewijd aan signalering. Synthetische materialen bestaan ​​vaak uit een of slechts enkele soorten chemische eenheden zonder geïntegreerde manier om deze taaiheid te activeren. Dus de tweede benadering omvat het maken van materialen die breuken genezen wanneer ze zich voordoen.

Een pauze repareren

Een catastrofale storing hoeft niet groot en dramatisch te zijn om ernstige problemen te veroorzaken. Neem het voorbeeld van een ruimtepak. Een kleine breuk in het materiaal van het pak kan catastrofaal zijn voor de astronaut; het zichzelf laten genezen van het pak biedt een mogelijke oplossing.

Wat maakt een materiaal precies zelfgenezend? Zoals de huid zichzelf geneest, deze materialen gebruiken chemische eigenschappen om zichzelf te "genezen".

Bij synthetische materialen, zelfgenezing omvat reparatie. De chemische bindingen moeten zich kunnen hervormen, vooral na catastrofale mislukkingen. Zodra schade ervoor zorgt dat het materiaal faalt, het zou zichzelf weer aan elkaar moeten kunnen hechten, net als een wond op de huid.

Dit soort reparatie vindt plaats op moleculair niveau. Saito's onderzoek richt zich op het ontwikkelen van nieuwe, zelfherstellende polymeren en met als doel deze chemische reactie te begrijpen. Saito neemt een vel van een speciaal geprepareerd polymeer en scheurt het uit elkaar. Op chemisch vlak is deze polymeren werken om bindingen te hervormen en zichzelf aan elkaar te hechten. De sleutel is het begrijpen van de chemische trigger die hen vertelt zichzelf aan elkaar te hechten.

Om dit synthetisch te gebruiken, Schulman haalt zijn inspiratie uit cellen. "Cellen communiceren over wat er op een bepaalde locatie moet zijn, " zei ze. "Ze gebruiken draadloze signalering via chemicaliën."

Het vertalen van deze systeembrede reactie in een synthetisch materiaal was een uitdaging. Terwijl in biologische systemen een heel netwerk van signalen reageert op onderbrekingen, een synthetisch polymeer is meestal gemaakt van slechts een paar componenten. Hoe het materiaal zou kunnen communiceren met de chemische componenten om weer aan elkaar te hechten, is een bijzonder moeilijk voorstel. Het materiaal zou schade of breuk moeten detecteren en dienovereenkomstig moeten reageren.

Schulman merkte op dat synthetische materialen niet de veerkracht hebben van biologische systemen. Wanneer een stuk faalt, het hele systeem faalt vaak. "Cellen kunnen de levensduur van het organisme leven, maar de eiwitten draaien zich vele malen om in de cel, " ze zei.

Terwijl de materiaalwetenschap die zich richt op zelfgenezing inzoomt op dat extreme chemische niveau, het grotere plaatje toont de toepassingen van zelfherstellende materialen en de manier waarop deze dingen zelfs fundamentele ideeën over hoe infrastructuur werkt kunnen veranderen.

Strano vergelijkt de mogelijkheden van zelfherstellende materialen graag met de groei van een boomstam. Bomen ademen koolstofdioxide en voedingsstoffen uit de bodem in en gebruiken deze om de stam op te bouwen. Door hun bouwmaterialen uit de lucht te halen, ze hebben constant toegang.

"Het materiaal kan in de loop van de tijd sterker worden, " zei Strano. Wanneer materialen worden omringd door hun bouwmaterialen, er is misschien geen limiet aan hoe lang ze kunnen duren.