Znajdź zawartość

W laboratoriach Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego powstał samonaprawiający się hydrożel, który z pewnością znajdzie zastosowanie w medycynie, np. w funkcji szwów czy transporterów leków, oraz przemyśle. Na zasadzie zamka błyskawicznego żel wiąże się w ciągu zaledwie kilku sekund, w dodatku na tyle mocno, że wytrzyma wielokrotne rozciąganie. Hydrożele powstają z łańcuchów polimeru. Ponieważ są galaretowate, przypominają tkanki miękkie. Wcześniej naukowcy nie potrafili uzyskać błyskawicznie samonaprawiających się żeli, co ograniczało ich zastosowania. Zespół Shyni Varghese poradził sobie z tym wyzwaniem, wykorzystując wolne łańcuchy boczne. Wystają one ze struktury pierwotnej (pierwszorzędowej) jak palce z dłoni i mogą się o siebie zaczepiać. Samonaprawa to jedna z podstawowych właściwości tkanek żywych, która pozwala im przetrwać powtarzające się uszkodzenia. Nic więc dziwnego, że akademicy nie ustawali w próbach stworzenia sztucznego materiału o podobnych zdolnościach. Podczas projektowania cząsteczek łańcuchów bocznych zespół korzystał z symulacji komputerowych. Ujawniły one, że zdolność hydrożelu do samonaprawy zależy od długości "palców". Kiedy w kwasowym roztworze umieszczano dwa cylindry z hydrożelu z łańcuchami bocznymi o optymalnej długości, natychmiast do siebie przywierały. Dalsze eksperymenty pokazały, że manipulując pH roztworu, kawałki hydrożelu można łatwo spajać (niskie pH) lub odłączać (wysokie pH). Proces wielokrotnie powtarzano, bez szkody dla siły związania. Ameya Phadke, doktorantka z laboratorium Varghese, podkreśla, że elastyczność i wytrzymałość hydrożelu w kwaśnym środowisku, takim jak w żołądku, pozwala myśleć o tym materiale w kontekście łatania perforacji żołądka czy kontrolowanego dostarczania leków na wrzody. Zespół uważa, że samonaprawiający się materiał można by wykorzystać w likwidowaniu przecieków kwasów z uszkodzonych pojemników. Gdy w plastikowym pojemniku wycięto otwór, hydrożel ją zatkał i zahamował wypływ kwasu. W przyszłości Amerykanie zamierzają uzyskać hydrożele działające przy innych niż kwasowe wartościach pH.

Gdy w układzie scalonym dojdzie do uszkodzenia jednego z obwodów, cały układ przestaje prawidłowo działać. Na University of Illinois at Urbana-Champaign powstała technologia, dzięki której układ sam tak szybko naprawia uszkodzenia, iż użytkownik nawet nie zauważa, że coś było nie tak. Naukowcy pracujący pod kierunkiem profesorów Scotta White’a i Nancy Sottos opublikowali wyniki swoich badań w piśmie Advanced Materials. To upraszcza cały system. Zamiast budować obwody zapasowy czy wbudowywać w układ mechanizmy diagnostyczne, sam materiał został tak zaprojektowany, by rozwiązać problem - mówi profesor Jeffrey Moore. Już wcześniej uczeni z Illinois opracowali samonaprawiający się polimer. Teraz zastosowali zdobyte wówczas doświadczenia do stworzenia samonaprawiającego się systemu elektrycznego. Nowy materiał zawiera miniaturowe kapsułki umiejscowione na obwodzie. Gdy w układzie pojawi się pęknięcie,które dotrze do mikrokapsułek, wypływa z nich płynny metal, który wypełnia pęknięcia, przywracając funkcjonowanie obwodu. Podczas testów wykazano, że naprawa dokonywana jest w ciągu mikrosekund. Aż 90% testowanych układów odzyskało po uszkodzeniu 99% oryginalnej sprawności. Cały proces nie wymaga żadnej zewnętrznej interwencji ani przeprowadzania diagnostyki. Nowy system przyda się tam, gdzie nie można łatwo wymienić uszkodzonej części. Znajdzie zastosowanie np. w satelitach czy samolotach. Naukowcy będą teraz pracowali nad udoskonaleniem swojego systemu i znalezieniem dlań nowych zastosowań. Szczególnie interesuje ich perspektywa stworzenia samonaprawiających się baterii, co powinno zwiększyć żywotność i bezpieczeństwo użytkowania takich urządzeń.

Żywe tkanki mają wyjątkową zdolność do samoleczenia się. Od dawna marzeniem technologów materiałowych były samo samonaprawiające się tworzywa, ale do tej pory osiągnięcia nie były porywające: w tworzywach sztucznych umieszczano na przykład mikroskopijne kapsułki z substancją, która przy uszkodzeniu „zaklejała" ubytki. Taka samonaprawa działała jednak tylko raz. Nowe polimery stworzone przez Polaka potrafią wręcz same poskładać się w całość, dowolną ilość razy - wystarczy im do tego nieco ultrafioletu. Przełomowe odkrycie jest dziełem Krzysztofa Matyjaszewskiego - polskiego wybitnego chemika, pracującego obecnie w USA. To jego zespół, złożony z uczonych z Carnegie Mellon University (Pittsburgh, USA) oraz japońskiego Kyushu University, opracował polimery o zaskakujących właściwościach. Kluczem do tych właściwości są odpowiednie wiązania kowalencyjne, które pod wpływem światła ultrafioletowego mogą na nowo łączyć się dowolną ilość razy. Cząsteczki polimeru łączą się „krzyżowo" poprzez specjalne grupy (trithiocarbonate units) - atom węgla takiej grupy łączy się z trzema atomami siarki, z których dwa używają swojego drugiego wiązania do przyłączenia kolejnego atomu węgla. To właśnie te grupy mają tę właściwość: energia dostarczona przez promieniowanie UV powoduje zerwanie jednego wiązania węgiel-siarka, tworząc w ten sposób dwie bardzo reakcyjne molekuły z wolnym (niesparowanym) elektronem, które agresywnie szukają miejsca do stworzenia nowej grupy złożonej z atomu węgla i trzech atomów siarki. Ta wiążąca reakcja łańcuchowa zatrzymuje się dopiero, kiedy dwie takie reakcyjne molekuły połączą się ze sobą. W praktyce taki materiał można przeciąć na pół, a następnie wystarczy lekko ścisnąć rozcięte kawałki i lekko naświetlić ultrafioletem, aby trwale połączyły się ze sobą. Nie koniec na tym: eksperymentalną próbkę badacze pocięli na małe kawałki, które po złożeniu i naświetleniu zrosły się bez śladu, tworząc równie zwarty element, jak przed eksperymentem. Takie operacje można powtarzać. Możliwe zastosowania takich materiałów ogranicza tylko wyobraźnia. Uczeni zauważają, że taki polimer to nie tylko możliwość konstruowania samonaprawiających się konstrukcji, ale też świetny materiał do recyklingu, czyli bardzo ekologiczny. Studium Krzysztofa Matyjaszewskiego „Repeatable Photoinduced Self-Healing of Covalently Cross-Linked Polymers through Reshuffling of Trithiocarbonate Units" ukazało się w Angewandte Chemie International Edition.