Naukowcy opracowali nową grupę materiałów, które mogą się same naprawiać i mają pamięć kształtu. Naturalnie przylegają do siebie w powietrzu lub pod wodą, tym samym mogą znaleźć zastosowanie w stworzeniu platform dla pojazdów powietrznych czy futurystycznych samonaprawiających się skrzydeł samolotu. – Chcielibyśmy zbadać wprowadzenie inteligencji niskiego poziomu, aby materiały te wiedziały, że dostosowują się autonomicznie bez konieczności inicjowania procesu przez użytkownika – zapowiada dr Frank Gardea z United States Army Research Laboratory.
Naukowcy z Uniwersytetu Texas A&M oraz Dowództwa ds. Rozwoju Zdolności Bojowych Armii Stanów Zjednoczonych Army Research Laboratory, poprawiając skład chemiczny pojedynczego polimeru, stworzyli całą rodzinę materiałów syntetycznych o różnej teksturze, od ultramiękkich po bardzo sztywne.
– Stworzyliśmy grupę materiałów, których właściwości można precyzyjnie dostroić, aby uzyskać miękkość gumy lub wytrzymałość nośnych tworzyw sztucznych – podkreśla dr Svetlana Sukhishvili, profesor na Wydziale Inżynierii Materiałowej Texas A&M University.
Takie właściwości sprawiają, że w przyszłości może udać się stworzyć realistyczne roboty inspirowane biologicznie czy zaawansowane maszyny. W ten sposób mogą powstać protezy, które zastąpią np. kończynę, będą przy tym nie do odróżnienia od prawdziwego ciała, a nawet lepsze. Wszystko dzięki wyjątkowym właściwościom materiału.
– Takie cechy tych materiałów, jak możliwość druku 3D i możliwość samoleczenia w ciągu kilku sekund, sprawiają, że nadają się one nie tylko do bardziej realistycznej protetyki i miękkiej robotyki, lecz także do szerokich zastosowań wojskowych, takich jak zwinne platformy dla pojazdów powietrznych i futurystyczne samoodbudowujące się skrzydła samolotu – wymienia dr Svetlana Sukhishvili.
Polimery syntetyczne składają się z długich sznurków powtarzających się motywów molekularnych, podobnych do koralików. W polimerach elastomerowych lub elastomerach takie długie łańcuchy są lekko usieciowione, co sprawia, że materiały są gumowate. Poprzez zwiększenie liczby wiązań poprzecznych elastomery można też usztywnić.
– Połączenia są jak szwy w kawałku materiału, im więcej masz szwów, tym sztywniejszy staje się materiał i odwrotnie – tłumaczy dr Sukhishvili. – Chcieliśmy jednak uzyskać dynamiczne i odwracalne usieciowienie, abyśmy mogli stworzyć materiały, które nadają się do recyklingu.
Naukowcy skupili się na cząsteczkach biorących udział w sieciowaniu. Najpierw wybrali polimer macierzysty, prepolimer, a następnie chemicznie uzupełnili łańcuchy prepolimeru dwoma typami małych cząsteczek sieciujących – furanem i maleimidem. Odkryli, ze im więcej cząsteczek w prepolimerze, tym sztywniejsze materiały udaje im się stworzyć. Dzięki temu najtwardszy materiał, który stworzyli, był tysiąc razy mocniejszy niż ten najdelikatniejszy.
Wiązania poprzeczne są odwracalne. Gdy temperatura jest wystarczająco wysoka, furan i malemid odrywają się od łańcuchów polimeru, a materiały miękną. W temperaturze pokojowej materiały twardnieją, ponieważ cząsteczki szybko łączą się ze sobą, ponownie tworząc wiązania poprzeczne.
– Modyfikując sprzęt i parametry przetwarzania w standardowej drukarce 3D, mogliśmy używać naszych materiałów do drukowania złożonych obiektów 3D warstwa po warstwie – tłumaczy dr Frank Gardea, inżynier badawczy w United States Army Research Laboratory. – Wyjątkową zaletą naszych materiałów jest to, że warstwy tworzące część 3D mogą mieć bardzo różną sztywność.
W przyszłości naukowcy planują zwiększyć funkcjonalność swoich nowych materiałów. Jeśli im się powiedzie, materiały będą potrafiły np. same się naprawiać.
– W tej chwili możemy łatwo osiągnąć około 80 proc. samoleczenia w temperaturze pokojowej, ale chcielibyśmy osiągnąć 100 proc. Chcemy również, aby nasze materiały reagowały na bodźce inne niż temperatura, takie jak światło – wskazuje dr Frank Gardea. – W dalszej perspektywie chcielibyśmy zbadać wprowadzenie inteligencji niskiego poziomu, aby materiały te wiedziały, że dostosowują się autonomicznie bez konieczności inicjowania procesu przez użytkownika.
