Mogelijk is er binnenkort een bijzonder ingenieus middel tegen roest beschikbaar. Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH in Düsseldorf en het Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz zijn erin geslaagd twee enorme stappen te zetten in de richting van de ontwikkeling van een zelfherstellende corrosiewerende coating. In een studie, ze hebben een paar polymeercapsules van 100 nanometer met anticorrosieve ladingen in een coating ingebed. Ze brachten de coating op een metaal aan en stelden het metaal bloot aan corrosie door een scheur in de coating. Daarop, de capsules openden en lieten de beschermende lading los. Zodra de corrosieve aanval eindigde, de containers gingen weer dicht. In de tweede studie de onderzoekers kapselden stoffen in nanocontainers die kleine scheurtjes en gaatjes in de beschermende metalen coating kunnen dichten. De onderzoekers toonden daarmee aan dat de containers chemisch waren veranderd en de genezende ladingen vrijgaven toen het corrosieproces begon. De containers sloten vervolgens weer aan het einde van de corrosieve aanval.

De huid van mens en dier is in veel opzichten voorbeeldig. Materiaalwetenschappers zijn vooral onder de indruk van de manier waarop het zichzelf geneest bij beschadiging. Ze willen anticorrosie coatings geven met deze capaciteit, zodat fijne scheurtjes en gaatjes in coatings op korte of lange termijn geen ramp betekenen voor het onderliggende metaal. "We hebben twee doorbraken gerealiseerd in de zoektocht naar intelligente corrosiebescherming, " meldt Michael Rohwerder, Leider van een onderzoeksgroep aan het Max-Planck-Institut für Eisenforschung.

Samen met hun collega's van het Max Planck Institute for Polymer Research, de in Düsseldorf gevestigde onderzoekers testten capsules gemaakt van het geleidende polymeer polyaniline als containers voor corrosiewerende stoffen. Ze hadden de nanocapsules versierd met metalen nanodeeltjes om geschikt elektrisch contact te genereren tussen de containers en het metaal waarop ze de capsules als componenten in een coating aanbrachten. Door een defect in de beschermende coating, ze stelden het metaal bloot aan corrosie door een druppel zout water op de opening in de beschermende coating te laten druppelen. De corrosieve aanval, echter, geen effect gehad, toen de wanden van de polymeercapsules poreus werden, de daarin aanwezige stoffen laten ontsnappen, die vervolgens het zuurstofreductieproces blokkeerde.

De elektrochemische potentiaal is de meest betrouwbare sleutel voor het openen van de capsules

"Wat hier cruciaal is, is het selecteren van het juiste signaal voor het openen van de capsulewand, ", zegt Michael Rohwerder. De capsules kunnen dus puur mechanisch worden geopend wanneer de beschermende coating wordt bekrast. Of ze kunnen reageren op een stijgende pH-waarde, die het proces van corrosie kunnen begeleiden. Echter, het Max Planck-team koos ervoor om het elektrochemische potentieel te benutten als een capsule-opener die het polyaniline-omhulsel door een proces van chemische conversie doorboorde. "Dit potentieel daalt altijd wanneer corrosie begint, ", legt Rohwerder uit. "Het geeft dus het meest betrouwbare signaal voor het openen van de capsules." elektrisch contact is vereist om de capsules ook het elektrochemische alarm te laten herkennen. Dit wordt geleverd door de metalen nanodeeltjes tussen de capsulewand en het metaal. De capsules detecteren wanneer de corrosie is gestopt via hetzelfde informatiekanaal, aangezien het potentieel op dit punt constant stijgt. De capsulewand herstructureert zichzelf en de poriën worden opnieuw afgesloten.

de containers, waarin de onderzoekers ingesloten payloads kunnen gebruiken om een ​​polymeerhuid te vormen. Deze ladingen kunnen polymeriseren bij een defect en de scheur of het gat afdichten. Echter, in deze studie hebben de wetenschappers de capsules niet op een metaal aangebracht met behulp van een coating om ze op corrosie te testen. Ze bootsten de chemische omstandigheden aan het begin en het einde van het corrosieproces na met reducerende en oxiderende stoffen en openden of sloten de capsules op deze manier. "We hebben dit redoxproces meer dan 80 keer kunnen herhalen met de polyanilinecapsules, " zegt Daniël Crespy, een onderzoeksgroepleider bij het Max Planck Institute for Polymer Research, die de studie begeleidde.

Olieachtige vloeistoffen kunnen worden ingekapseld in een mini-emulsie

Het feit dat de geneeskrachtige stoffen gericht kunnen worden ingekapseld, is vanuit het perspectief van de chemicus van bijzonder belang. Dit wordt mogelijk gemaakt door een techniek die is ontwikkeld door onderzoekers die samenwerken met Katharina Landfester van het Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz. Ze produceren een emulsie uit een waterige oplossing, waarin oliedruppels drijven. Een proces dat bij melk maar in beperkte mate functioneert – na verloop van tijd hoopt de room zich aan de bovenkant op – werd door de chemici geperfectioneerd. In hun mini-emulsie, niet alleen zijn de oliedruppels even klein van formaat, maar ze blijven, dankzij een paar chemische trucs, bijna volledig stabiel.

Voordat Daniel Crespy en zijn collega's de olieachtige vloeistof fijn emulgeren in de waterige oplossing door deze te mengen en ultrageluid te gebruiken, ze voegen er de componenten voor de polymeercapsules aan toe. De componenten reageren alleen om moleculen met een lange keten te produceren wanneer de chemici een ander chemisch ingrediënt in de bereide emulsie druppelen, die oplost in water en de polymerisatie precies op het oppervlak van de oliedruppels veroorzaakt. "Zo kunnen we olieachtige vloeistoffen inkapselen in een waterige omgeving, " zegt Daniel Crespy. Echter, ondanks dat het klinkt als een eenvoudig recept, de fijnere details van het proces zijn eigenlijk heel moeilijk te implementeren. Tijdens de polymerisatie, het chemische milieu van de emulsie verandert zodat de oliedruppels de neiging hebben om te aggregeren en zich normaal op het water zouden ophopen. "Maar we hebben een manier gevonden om de emulsie te stabiliseren, ' zegt Crespy.

De anticorrosieve stoffen moeten effectiever worden gemaakt

Bovendien, het is niet bepaald eenvoudig om te bewijzen dat de capsules alleen de remedie vrijgeven om de defecten in een coating te genezen als dat nodig is. Hiertoe, moesten de onderzoekers in Mainz de capsules na elke stap isoleren, verplaats ze met geschikte oplosmiddelen en onderzoek ze met behulp van kernmagnetische resonantiespectroscopie, die informatie verschafte over de volumes van de stoffen in de capsules.

In de twee recente onderzoeken het team van onderzoekers uit Düsseldorf en Mainz voorzag de nanocapsules van enkele van de functies die een zelfherstellende corrosiecoating zou moeten bieden. "We willen nu de geneeskrachtige stoffen en de anticorrosiestoffen samen in dezelfde capsules insluiten, " zegt Crespy, omdat alleen beide stoffen samen een volledige bescherming kunnen bieden tegen de vernietiging door roest. Terwijl de anticorrosieve stoffen de corrosie snel tegengaan, zoals de aanvankelijke stopzetting van de bloedstroom in het geval van letsel, de genezende stoffen herstellen de blijvende anticorrosieve werking van de coating. Echter, als een genezende wond, ze hebben meer tijd nodig om hun werk te doen. "Tot nu toe, het is niet gelukt om beide stoffen onder dezelfde chemische omstandigheden in te kapselen, ", zegt Daniel Crespy. Dit is wat hij en zijn collega's graag willen bereiken.

Michael Rohwerder heeft ook twee andere uitdagingen geïdentificeerd die nog moeten worden overwonnen voordat het zelfherstellende anticorrosiesysteem voltooid is. "Eerst, we moeten remmende stoffen identificeren die even effectief zijn, bijvoorbeeld, als chromaten, ", zegt de wetenschapper. Chromaten zijn momenteel nog steeds de norm op het gebied van anticorrosiecoatings, maar ze worden in een toenemend aantal toepassingen verboden vanwege hun toxiciteit. "Tweede, we moeten ervoor zorgen dat de genezende stoffen sneller en in grotere hoeveelheden een defect bereiken, " zegt Rohwerder. Tot nu toe, ze zijn tegengehouden door het feit dat ze niet erg oplosbaar zijn in water; corrosie, echter, treedt alleen op wanneer een defect wordt blootgesteld aan water. Als de onderzoekers erin slagen op deze punten vooruitgang te boeken, het is heel goed mogelijk dat metalen coatings de gelijke zijn van een levende huid als het gaat om het zelfgenezend vermogen.