Het ontwikkelen van zelfherstellende materialen is niets nieuws voor Nancy Sottos, leider van de Autonomous Materials Systems Group aan het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois.

Geïnspireerd door biologische bloedsomloopsystemen, zoals bloedvaten of de bladeren aan een boom, hebben onderzoekers van de University of Illinois Urbana-Champaign meer dan tien jaar gewerkt aan de ontwikkeling van gevasculariseerde structurele composieten, het creëren van materialen die licht van gewicht zijn en in staat zijn om zichzelf te herstellen en zichzelf af te koelen.

Maar nu, een team van Beckman-onderzoekers onder leiding van Sottos en Mayank Garg, postdoctoraal onderzoeksmedewerker en hoofdauteur van de nieuw gepubliceerde Natuurcommunicatie papier, "Snelle gesynchroniseerde fabricage van gevasculariseerde thermoharders en composieten, " hebben een tweedaags productieproces verkort tot ongeveer twee minuten door gebruik te maken van frontale polymerisatie van gemakkelijk verkrijgbare harsen.

"De afgelopen jaren zijn we op zoek geweest naar manieren om vasculaire netwerken te maken in hoogwaardige materialen, " zei Sotto, die ook de bijzondere leerstoel van Swanlund en hoofd van de afdeling Materials Science and Engineering in Illinois is. "Dit is een echte doorbraak voor het maken van vasculaire netwerken in constructiematerialen op een manier die veel tijd en energie bespaart."

Garg zei dat de eenvoudigste manier om hun werk te begrijpen, is om de samenstelling van een blad met zijn interne kanalen en structurele netwerken voor te stellen. Nutsvoorzieningen, stel je voor dat het blad is gemaakt van een taai constructiemateriaal; binnenkant, vloeistof stroomt door verschillende tuiten en kanalen van de onderling verbonden vasculatuur. In het geval van de composieten van de onderzoekers, de vloeistof kan verschillende functies vervullen, zoals koeling of verwarming in reactie op extreme omgevingen.

"We willen deze levensechte structuren creëren, maar we willen ook dat ze hun prestaties over aanzienlijk langere tijd behouden in vergelijking met de bestaande infrastructuur door een benadering te volgen die biologie alomtegenwoordig gebruikt, " zei Garg. "Bomen hebben netwerken voor het transporteren van voedingsstoffen en water van de grond tegen de zwaartekracht in en het transporteren van gesynthetiseerd voedsel van het blad naar de rest van de boom. De vloeistoffen stromen in beide richtingen om de temperatuur te regelen, nieuw materiaal kweken, en repareer bestaand materiaal gedurende de gehele levenscyclus van de boom. We proberen deze dynamische functies te repliceren in een niet-biologisch systeem."

Echter, het maken van deze complexe materialen is van oudsher een lange, ontmoedigend proces voor de Autonomous Materials Systems Group. In eerder onderzoek naar zelfherstellende materialen, onderzoekers hadden een hete oven nodig, vacuüm, en minstens een dag om de composieten te maken. De lange productiecyclus omvatte het uitharden van het gastheermateriaal en vervolgens het verbranden of verdampen van een opofferingssjabloon om holle, vasculaire netwerken. Sottos zei dat het laatste proces 24 uur kan duren. Hoe ingewikkelder het vasculaire netwerk, hoe moeilijker en tijdrovender het is om te verwijderen.

Om de hostmaterialen te maken, wetenschappers kiezen voor frontale polymerisatie, een reactie-thermisch diffusiesysteem dat de opwekking en diffusie van warmte gebruikt om gelijktijdig twee verschillende chemische reacties te bevorderen. De warmte wordt intern gecreëerd tijdens het stollen van de gastheer en overtollige warmte deconstrueert een ingebed sjabloon in tandem om het vasculaire materiaal te vervaardigen. Dit betekent dat de onderzoekers het proces kunnen verkorten door twee stappen in één te combineren, het creëren van de vasculaire netwerken evenals het gepolymeriseerde gastheermateriaal zonder oven. Aanvullend, het nieuwe proces stelt onderzoekers in staat om meer controle te krijgen over de totstandkoming van de netwerken, wat betekent dat de materialen in de toekomst complexer en functioneler zouden kunnen zijn.

“Met dit onderzoek we hebben ontdekt hoe we vasculaire netwerken kunnen plaatsen door frontale polymerisatie te gebruiken om de vascularisatie aan te sturen, "Zei Sottos. "Het is nu in minuten klaar in plaats van dagen - en we hoeven het niet in een oven te zetten."

Twee processen in één:tandempolymerisatie en vascularisatie stellen wetenschappers in staat om binnen enkele minuten zelfherstellende structurele materialen te creëren.

Zelfherstellende materialen kunnen nuttig zijn overal waar sterke materialen essentieel zijn om hun functie te behouden bij aanhoudende schade, zoals de bouw van een wolkenkrabber. Maar in het geval van de onderzoekers, de meest waarschijnlijke toepassingen zijn voor vliegtuigen, ruimteschepen, en zelfs het internationale ruimtestation. Sottos legde uit dat materialen die op deze manier zijn geproduceerd binnen vijf tot tien jaar commercieel kunnen worden vervaardigd, hoewel de onderzoekers opmerken dat alle benodigde materialen en verwerkingsapparatuur momenteel in de handel verkrijgbaar zijn.

Beckman Instituut-directeur Jeff Moore, een Stanley O. Ikenberry bijzonder leerstoel scheikunde, evenals Philippe Geubelle, de Bliss hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek en executive associate dean van The Grainger College of Engineering, waren ook bij het project betrokken.

Vanuit een computationeel oogpunt, Geubelle legde uit dat hij in staat was om de frontale polymerisatie en endotherme faseverandering die plaatsvinden in de opofferingssjablonen vast te leggen.

"We presteerden adaptief, vergankelijk, niet-lineaire eindige elementenanalyses om deze competitie te bestuderen en de voorwaarden te bepalen waaronder deze gelijktijdige frontale polymerisatie en vascularisatie van de gel kan worden bereikt, " zei hij. "Deze technologie zal leiden tot een meer energie-efficiënte en aanzienlijk snellere manier om composieten te maken met complexe microvasculaire netwerken."

Dankzij de interdisciplinaire ontdekking van het team, dynamische multifunctionele materialen zijn nu gemakkelijker te vervaardigen dan ooit tevoren.

"Dit onderzoek is een combinatie van experimenteel werk en computerwerk, Garg zei. "Het vereist gesynchroniseerde communicatie tussen teamleden uit verschillende disciplines - scheikunde, Engineering, en materiaalwetenschap - om traditionele niet-duurzame productiestrategieën te herzien."

"Er is niets beter dan ideeën te zien opborrelen van studenten en postdocs in de AMS-groep als gevolg van interacties en gezamenlijke groepsbijeenkomsten, " Voegde Moore toe. "De Moore Group heeft jarenlang depolymerisatiereacties voor het openritsen van kettingen bestudeerd. Ik was opgetogen toen ik hoorde dat het AMS-team inzag hoe de thermische energie die in een warmte-ontwikkelende polymerisatiereactie wordt geproduceerd, kon worden gesynchroniseerd met de depolymerisatie die in een ander materiaal wordt losgeritst om kanalen te fabriceren. De eerste keer dat ik de resultaten van Mayank zag, Ik bedacht me, 'Ik wou dat ik aan dat idee had gedacht.'"