Texas A&M University
Znanstveniki s področja materialov na univerzi Texas A&M so razvili dinamičen material, ki se po predrtju samodejno popravi, tako da se spremeni iz trdnega v tekoče stanje in nazaj.
Kaj če bi obstajala tkanina, ki bi bila podobna tisti na Supermanu, ki lahko prenese kroglo in se sama zaceli? Takšen superdinamičen, akcijski polimer bi lahko dejansko pomagal zaščititi resnične astronavte v vesolju.
Znanstveniki s področja materialov na univerzi Texas A&M so razvili prav takšen polimer z edinstveno lastnostjo samozdravljenja, ki je doslej še ni bilo mogoče opaziti v nobenem obsegu. Ko ga zadene projektil, se ta material tako raztegne, da projektil, ko ga prebije, s seboj odnese le majhno količino polimera. Posledica tega je, da je luknja, ki ostane za njim, veliko manjša od samega projektila.
Vendar pa je bil ta učinek zaenkrat opazovan le pri ekstremnih temperaturah in na nanometrski ravni.
„To je prvič, da je material v kakršni koli meri pokazal takšno obnašanje,“ je dejala dr. Svetlana Sukhishvili, profesorica na Oddelku za znanost o materialih in inženirstvo, ki je razvijala ta polimerni film skupaj s profesorjem za znanost o materialih in inženirstvo dr. Edwinom (Nedom) Thomasom in takratnim podiplomskim študentom dr. Zhenom Sangom. Njihove ugotovitve so bile objavljene v marčevski/aprilski številki revije Materials Today [1].
„Poleg tega, da je zelo »kul«, bo novi polimer verjetno imel številne uporabe, med drugim tudi za izdelavo oken vesoljskih plovil, ki bodo bolj odporna proti udarcem mikrometeoritov,“ je dejal Thomas. Vesoljska plovila so pogosto bombardirana z mikrometeoriti, ki potujejo s hitrostjo 10 kilometrov na sekundo. Mikrometeorit lahko v oknu ustvari luknjo, ki je sicer majhna, vendar vidna s prostim očesom. Okno, izdelano s plastjo tega polimera, pa bi lahko utrpelo škodo, ki bi bila manjša od samega meteorita.
Thomas, ki je prvi predlagal, da se polimer podvrže balističnim testom, je dejal, da je ključni cilj raziskave oblikovanje materiala, ki bo ščitil strukture, kot so sateliti v orbiti in plovila v vesolju, z uporabo za vojaško opremo in neprebojno zaščito na Zemlji.
Fenomenalno obnašanje se pojavi v novem trdnem polimernem filmu, ko se stopi ob udarcu hitrega projektila, izstreljenega z laserjem, in se po ohladitvi vrne v prvotno obliko. Polimer to stori tako, da absorbira večino kinetične energije, ki jo ustvari projektil, zaradi česar se folija raztegne in utekočini, medtem ko projektil nadaljuje svojo pot in na koncu prebije folijo. Ko je folija prebita, se polimer hitro ohladi, njegove kovalentne vezi se ponovno oblikujejo in vrne se v prvotno trdno stanje, pri čemer ostane majhna luknja.
„Glavni cilj našega dela je bil ugotoviti, ali lahko hkrati zagotovimo material, ki bi absorbiral veliko kinetične energije na enoto ciljne mase iz hitrega projektila in bil sposoben zelo hitrega celjenja prebodene površine,“ je dejal Thomas. „Želeli smo, da bi material po udarcu še vedno lahko opravljal svojo namembno funkcijo, kot je prenos zraka ali tekočin, in ostal neprepusten za izgubo takih tekočin skozi membrano materiala.“
Material je Diels-Adler Polymer ali DAP, ki so ga raziskovalci poimenovali po njegovih dinamičnih kovalentnih veznih mrežah, ki se lahko prekinjajo in ponovno oblikujejo. Spada v skupino materialov, imenovano Covalent Adaptative Networks ali CAN. Medtem ko so bile v znanstveni literaturi opisane tudi druge Diels-Adler mreže, so specifična kemija, topologija in samozdravilne lastnosti DAP-a novost. Akronim DAP bi lahko pomenil tudi, da je njihov polimer dinamični material, ki se samodejno popravi.
„Ko smo sintetizirali DAP-je, smo si prizadevali, da bi se polimeri ob povišanju temperature spremenili v tekočine,“ je pojasnil Sukhishvili. „Čeprav je bila ta lastnost uvedena za lažje 3D-tiskanje, smo menili, da bi naši polimeri zaradi svoje sposobnosti, da se ob segrevanju spremenijo v tekočino, lahko pokazali izboljšane balistične samozdravilne lastnosti.“
Sukhishvili in Thomas nameravata nadaljevati raziskave super DAP z uporabo različnih polimernih sestav, temperaturnih in napetostnih odzivov.
„Lahko si celo predstavljamo oblikovanje DAP-ov s takšnimi lastnostmi, da bi bilo mogoče absorbirati kinetično energijo z lomljenjem DAP-vez, nato pa bi se nekatere od teh lomljenih vezi zelo hitro ponovno oblikovale – morda z ustreznim katalizatorjem za ponovno oblikovanje vezi v materialu, pri čemer bi projektil moral te vezi zlomiti še enkrat (ali celo večkrat), preden bi se material končno sam popravil in bil pripravljen za naslednji balistični dogodek.
„Do danes noben material nima potrebnega odzivnega časa, da se deformira, pretrga, ponovno oblikuje, nato pa se ponovno deformira, pretrga in ponovno oblikuje v intervalu pod mikrosekundo balističnega dogodka,“ je dejal Thomas. Drugi soavtorji članka so doktorski študent materialnih znanosti Hongkyu Eoh, nekdanji podoktorski raziskovalci dr. Kailu Xiao, dr. Wenpeng Shan in dr. Jinho Hyon ter dr. Dmitry Kurouski, izredni profesor na oddelku za biokemijo in biofiziko na univerzi Texas A&M.
Viri:
1: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702124002852
