(Phys.org) —Als een stoelpoot breekt of een mobiele telefoon breekt, ofwel moet worden gerepareerd of vervangen. Maar wat als deze materialen kunnen worden geprogrammeerd om zichzelf te regenereren, het aanvullen van de beschadigde of ontbrekende onderdelen, en daardoor hun levensduur verlengen en de noodzaak van dure reparaties verminderen?

Dat potentieel is nu mogelijk volgens onderzoekers van de University of Pittsburgh Swanson School of Engineering, die rekenmodellen hebben ontwikkeld om een ​​nieuwe polymeergel te ontwerpen waarmee complexe materialen zichzelf kunnen regenereren. Het artikel, "Gebruikmaken van grensvlakactieve nanostaafjes om afgescheiden polymeergels te regenereren", werd op 19 november gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Hoofdonderzoeker is Anna C. Balazs, doctoraat, Distinguished Robert van de Swanson School v. d. Luft Hoogleraar chemische en petroleumtechnologie, en co-auteurs zijn Xin Yong, doctoraat, postdoctoraal medewerker, wie is de hoofdauteur van het artikel; Olga Kuksenok, doctoraat, onderzoek universitair hoofddocent; en Krzysztof Matyjaszewski, doctoraat, J.C. Warner University hoogleraar natuurwetenschappen, afdeling scheikunde aan de Carnegie Mellon University.

"Dit is een van de heilige gralen van de materiaalwetenschap, " merkte Dr. Balazs op. "Terwijl anderen materialen hebben ontwikkeld die kleine defecten kunnen herstellen, er is geen gepubliceerd onderzoek met betrekking tot systemen die bulksecties van een afgesneden materiaal kunnen regenereren. Dit heeft een enorme impact op de duurzaamheid, omdat je de levensduur van een materiaal zou kunnen verlengen door het de mogelijkheid te geven om opnieuw aan te groeien als het beschadigd is."

Het onderzoeksteam liet zich inspireren door biologische processen bij soorten als amfibieën, die afgehakte ledematen kan regenereren. Dit type weefselregeneratie wordt geleid door drie essentiële instructiesets:initiatie, voortplanting, en beëindiging - die Dr. Balazs beschrijft als een "prachtige dynamische cascade" van biologische gebeurtenissen.

"Toen we keken naar de biologische processen achter weefselregeneratie bij amfibieën, we hebben overwogen hoe we die dynamische cascade in een synthetisch materiaal zouden repliceren, "Zei Dr. Balazs. "We moesten een systeem ontwikkelen dat eerst de verwijdering van materiaal zou detecteren en hergroei zou initiëren, propageer dan die groei totdat het materiaal de gewenste grootte heeft bereikt en dan, zelf het proces beëindigen."

"Onze grootste uitdaging was om het transportprobleem aan te pakken binnen een synthetisch materiaal, "Zei Dr. Balazs. "Biologische organismen hebben bloedsomloopsystemen om massatransport van materialen zoals bloedcellen, voedingsstoffen en genetisch materiaal. Synthetische materialen hebben van nature niet zo'n systeem, dus we hadden iets nodig dat als een sensor werkte om het proces te starten en te controleren."

Het team ontwikkelde een hybride materiaal van nanostaafjes ingebed in een polymeergel, die wordt omgeven door een oplossing die monomeren en cross-linkers bevat (moleculen die de ene polymeerketen met de andere verbinden) om de dynamische cascade te repliceren. Wanneer een deel van de gel wordt doorgesneden, de nanostaafjes bij de snede fungeren als sensoren en migreren naar de nieuwe interface. De gefunctionaliseerde ketens of "rokken" aan het ene uiteinde van deze nanostaafjes houden ze gelokaliseerd op het grensvlak en de plaatsen (of "initiatoren") langs het oppervlak van de staaf veroorzaken een polymerisatiereactie met het monomeer en cross-linkers in de buitenste oplossing. Drs. Yong en Kuksenok ontwikkelden de rekenmodellen, en daardoor richtlijnen opgesteld om het proces te beheersen, zodat de nieuwe gel zich gedraagt ​​en eruitziet als de gel die hij vervangt, en om de reactie te beëindigen zodat het materiaal niet uit de hand loopt.

Drs. Balazs, Kuksenok en Yong crediteren ook Krzysztof Matyjaszewski, die hebben bijgedragen aan het begrip van de chemie achter het polymerisatieproces. "Onze samenwerking met Prof. Matyjaszewski was buitengewoon waardevol omdat het ons in staat stelde nauwkeurig alle complexe chemische reacties te verklaren die betrokken zijn bij de regeneratieprocessen", aldus Dr. Kuksenok.

"Het mooiste maar ook uitdagende onderdeel was het ontwerpen van de nanostaafjes om meerdere rollen te vervullen, "Zei Dr. Yong. "In feite, ze vormen het perfecte voertuig om een ​​synthetische dynamische cascade op gang te brengen." De nanostaafjes zijn ongeveer tien nanometer dik, ongeveer 10, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan het proces te verbeteren en de banden tussen de oude en nieuw gevormde gels te versterken, en hiervoor lieten ze zich inspireren door een andere natuurmetafoor, de gigantische sequoiaboom. "Eén sequoia-boom zal een ondiep wortelstelsel hebben, maar als ze in aantal groeien, de wortelsystemen verstrengelen zich om ondersteuning te bieden en bij te dragen aan hun enorme groei, " Dr. Balazs legt uit. Evenzo, de rokken op de nanostaafjes kunnen het geregenereerde materiaal extra stevigheid geven.

De volgende generatie onderzoek zou het proces om meerdere lagen te laten groeien verder optimaliseren, het creëren van complexere materialen met meerdere functies.