В научно – фантастических фильмах нам огромное количество раз показывали, как затягивались раны уже, казалось бы, совершенно побежденного киборга (варианты – монстра, воина в волшебных доспехах и пр.). Совсем ли это фантастика? И да, и нет, и это уже достаточно долго обсуждается (но пока не продается, даже и не ждите). Речь идет о самовосстанавливающихся материалах, работающих по принципу – если сам не позаботишься о себе, то кто же еще это сделает?

Самовосстанавливающиеся материалы — это материалы, способные частично или полностью восстанавливать причиненные им повреждения, например, образовавшиеся трещины. Одним из их самых выдающихся свойств биологических материалов является способность к самовосстановлению и регенерации своих функции после получения внешних механических повреждений. В природе самовосстановление может происходить как на уровне единичных молекул (например, восстановление ДНК), так и на макроуровне: срастание сломанных костей, заживление поврежденных кровеносных сосудов и т.д. Эти процессы знакомы всем, однако, материалы, изготовленные человеком, в большинстве случаев не обладают подобной способностью к самовосстановлению (хотя бы потому, что «живыми» они не являются).

Искусственные материалы разрабатываются исходя из парадигмы «предотвращения повреждения», а не «управления повреждением». При этом, бесспорно, самовосстанавливающиеся материалы открыли бы огромные возможности, в особенности в тех случаях, когда в труднодоступных зонах необходимо обеспечить надежность материалов на как можно более длительный срок. Кроме того, «самозаживление» было бы идеально для материалов, склонным к повреждениям, например, в случаях с поверхностными покрытиями.

Для инженерных целей разрабатываются различные стратегии и подходы для создания самовосстанавливающихся материалов. Исследования проводятся, в частности, для металлов, керамики и полимеров. Необходимым условием для самовосстановления повреждения является формирование подвижной фазы, которая сможет «затянуть» трещину (рис. 1). В зависимости от используемого материала может изменяться необходимая температура: температура окружающей среды для бетона, низкие температуры (<120°C) для полимеров (и их соединений), высокие температуры для металлов (<600°C) и керамики (> 800°C).

Рис.1. Общий принцип самовосстановления материалов. a) Механический груз вызывает трещину; b) Увеличенное изображение трещины; с) Появление “подвижной фазы”; d) Закрытие трещины “подвижной фазой”; e) Иммобилизация (создание неподвижности поврежденной области) после восстановления.

Самовосстанавливающиеся материалы могут быть разделены на два различных класса (в зависимости от применяемого механизма инициирования и природы процессов самовосстановления): автономные и неавтономные. Для неавтономных самовосстанавливающихся материалов требуются внешнее инициирование, например, высокая температура или свет. В случае же автономного самовосстановления материалы не требуют никакого дополнительного внешнего импульса, само повреждение и является импульсом к восстановлению.

Также может быть выделено еще одно свойство соответствующего процесса самовосстановления для отличия подкласса материалов, а именно: ‹внешнее› (процесс восстановления основан на неких внешних восстанавливающих компонентах, таких как микро – или нанокапсулы, специально внедренных в матрицу материала) и ‹внутреннее› (не предусматривает наличия каких-либо отдельных восстанавливающих составов) инициирование самовосстановления.

В настоящее время, полимеры (и их композиты) являются наиболее изученной категорией материалов в контексте способности к самовосстановлению. Процесс с внешним инициированием самовосстановления посредством внедрения восстанавливающих компонентов показан на рис.2. Главным недостатком этого метода является возможность лишь однократной «регенерации».

Рис. 2. Самовосстановление при помощи микрокапсул.

Эксперимент показал, что ни сферическая капсула, ни полые структуры не являются идеальными для достижения высокой эффективности восстановления. Гораздо большая эффективность восстановления может быть достигнута при использовании удлиненных капсул с соотношением сторон 1:10. Также для восстановления полимеров могут применяться и другие механизмы инициирования (электрическое, электромагнитное, баллистическое, фотоинициирование).

По сравнению с ковалентными связями, слабые взаимодействия, такие как водородные связи, скорее всего, дадут возможность получить потенциальные самовосстанавливающиеся материалы. Яркий пример автономного самовосстанавливающегося полимера – олигомерный термопластичный эластомер. После повреждения нужно просто прижать друг к другу поверхности разлома, и материал восстановится (рис.3).

Рис. 3. Автономное самовосстанавление олигомерного термопластичного эластомера.

Один из примеров самозаживления керамики – самовосстанавливающее окисление SiC-керамики. Активный наполнитель, внедренный в матрицу, окисляется проникающим кислородом, тем самым образованный SiO2 полностью закрывает трещину (рис. 4). К сожалению, лишь очень мало может быть найдено примеров успешных разработок в сфере самозаживления металлов. Это связано с тем что самозаживление в металлах-процесс намного более сложный и трудный, чем в других классах материалов.

Рис. 4. Самовосстановление трещины путем окисления SiC-керамики.

Таким образом, необходимы дальнейшие исследования в области самовостанавливающихся материалов. В частности, нужна разработка таких материалов, которые, помимо механических свойств, восстанавливали бы и другие свойства (проводимость и т.д.) после повреждения, а также существует сложная задача в отношении разработок самовосстанавливающихся наноструктур.

… Но все же надежда умирает последний, как и самый лучший самовосстанавливающийся материал (в прямом смысле).

Первоисточник:

Martin D. Hager, Peter Greil, Christoph Leyens, Sybrand van der Zwaag and Ulrich S. Schubert Self-Healing Materials–Advanced Materials. – 2010.

Перевод и редактировнаие статьи выполнено Юлией Захаркиной (ФНМ МГУ).