Op het snijvlak van de schade groeit rond de nanostaafjes nieuw materiaal (afb: univ.van Pittsburgh)
Er bestaan materialen die kleine scheurtjes zelf herstellen, maar bij de universiteit van het Amerikaanse Pittsburgh schijnen ze nu een polymeergel ontwikkeld te hebben, die hele beschadigde delen zelf repareert. “Dat is niet eerder vertoond”, zegt onderzoekster Anna Balazs, hoogleraar chemische en olietechnologie aan de universiteit. “Dat kan grote gevolgen hebben voor de duurzaamheid. Hierdoor kan de levensduur van producten aanzienlijk worden verlengd.”Als iets kapot gat heb je drie opties: het zo laten, het maken of het weggooien. Het lijkt nu dat daar een vierde mogelijkheid bij is gekomen: het product herstelt zichzelf. De onderzoekers rond Balazs kregen hun inspiratie van dieren als hagedissen, die in staat zijn nieuwe ledematen te laten aangroeien als die op de een of andere manier verloren zijn gegaan. Dat weefselherstel is een wonder van een dynamisch biologisch cascadeproces. Balazs: “Toen we dit biologische proces bekeken, vroegen we ons af hoe we dat voor elkaar zouden kunnen krijgen in synthetisch materiaal. We moesten een systeem ontwikkelen dat het verlies van materiaal detecteert, de nieuwe aangroei in gang zet, aan de gang houdt tot het weer de oude afmetingen heeft, waarna het proces dient te stoppen.” Biologische systemen hebben omloopsystemen, zoals de bloedsomloop, om materie zoals bloedcellen, voedingsstoffen en erfelijk materiaal te vervoeren. In een kunstmatig materiaal heb je dat niet, zodat het zaak was iets te ontwikkelen, een soort sensor, om de vinger aan de (schade)pols te houden.
De onderzoekers maakten een hybdride materiaal met hele fijna naaldjes (nanostaafjes) in een polymeergel, omringd door oplossing van het monomeer van de polymeer (een ‘steentje’ van de lange polymeerketen) en vernetters (stoffen die de polymerisatie in gang zetten). Als een deel van de gel wordt beschadigd, dan doen de nanostaafjes op de plek van de schade dienst als sensors. Ze ‘wandelen’ naar de plek des onheils. Door de opbouw van die staafjes, worden ze daar vastgehouden, terwijl andere plaatsen op het oppervlak van het staafje de polymerisering in gang zetten. Het herstelproces (=de polymerisering) zou zich alleen daar voltrekken waar de nanostaafjes zich bevinden. Op de een of andere manier hebben de onderzoekers het voor elkaar gekregen dat het proces op tijd stopt (geen idee hoe). “Het mooiste en uitdagendste was”, zegt mede-onderzoeker Xin Yong, “nanostaafjes te maken die die verschillende rollen moesten combineren. Het zijn de volmaakte voertuigen van een synthetisch, dynamisch cascadeproces.”
De markt zal nog even moeten wachten, want het zelfherstellende materiaal vertoont nog wat mankementen. De binding tussen het oude en het nieuw aangegroeide deel zal sterker moeten worden. Als oplossing voor dat probleem gingen de onderzoekers weer bij de natuur te rade: de gigantische Californische mammoetbomen (sequoia). Balazs: “Zo’n boom wortelt ondiep, maar als er meer bomen bij komen, dan verstrengelen de wortelsystemen en ondersteunen die elkaar en zorgen voor de gigantische groei (de hoogste is zo’n 115 m hoog;as)”. Iets soortgelijk zouden de nanostaafjes moeten doen. Het ligt ook in de bedoeling om meerlaagse zelfsherstellende materialen te ontwikkelen, waarbij elke laag een andere functie heeft. Ik vrees dat het nog wel even zal duren, als het ooit zo ver komt, voor we het spul op de markt zullen zien.
Bron: Eurekalert