У полупрозрачного полимера нашли способность быстро залечивать повреждения

Science / YouTube

Ученые из Университета Токио обнаружили, что полупрозрачный полимерный материал TUEG3 легко восстанавливается после повреждений благодаря большому числу водородных связей. При этом он является довольно прочным из-за своей аморфной структуры, обусловленной хаотичностью связей. Статья опубликована в Science.

Исследователи давно ищут материал, который будет легко восстанавливаться после повреждений. Например, подобный материал можно создать, если поместить в него капсулы с мономерами и активным веществом. При повреждении вещества смешиваются, образуют полимеры и заклеивают трещину. К сожалению, такой способ позволяет материалу восстанавливаться только ограниченное число раз.

С другой стороны, некоторые полимеры могут восстанавливаться неограниченное число раз, перестраивая ковалентные или водородные связи. Однако такие материалы обычно оказываются мягкими и легко деформируются, что ограничивает сферу их применений. К тому же, обычно для перестройки ковалентных связей нужно нагреть эти материалы до большой температуры (более ста градусов Цельсия).

Наконец, полимеры с низким молекулярным весом и большим количеством водородных связей тоже могут образовать жесткие материалы, которые легко восстанавливаются. Например, ученые разработали термопластичный эластомер (thermoplastic elastomer), который «склеивается» при приложении даже небольшого давления. Но и здесь есть проблема: большое число водородных связей как правило приводит к кристаллизации полимера, что делает его очень хрупким и опять-таки не позволяет применить на практике.

В данной работе группа ученых под руководством Такузо Аида (Takuzo Aida) сообщает о полимере, который объединяет достоинства перечисленных выше материалов. Это полиэфиртиомочевина-3 (polyether-thioureas, TUEG) — похожий на стекло, полупрозрачный аномально аморфный материал. Несмотря на то, что TUEG3 содержит плотные водородные связи из-за тиомочевиновых участков, он не кристаллизуется и не становится хрупким. Как выяснили исследователи, это происходит из-за того, что связанные водородными связями цепочки очень слабо упорядочены и больше напоминают зигзаги.

В то же время, большое число водородных связей позволяет TUEG3 очень легко залечивать повреждения — для этого не требуются ни большие температуры, ни сильное давление. Например, два прямоугольных кусочка полимера размером 10×20×2 миллиметра, прижатые друг к другу на 30 секунд при температуре 21 градус Цельсия, выдерживали нагрузку до трехсот грамм. Полностью свойства склеенного материала сравнивались со свойствами «цельного» в течение нескольких часов.

Стоит отметить, что такое быстрое восстановление свойств при сдавливании двух кусочков обусловлено именно перестройкой водородных связей и образованием новых соединений между полимерными цепочками. Диффузия в этом процессе роли практически не играет, поскольку время релаксации TUEG3 при 21 градусе Цельсия составляет несколько месяцев.

Кроме того, исследователи сравнили свойства TUEG3 со свойствами похожих материалов, которые получены полимеризацией тиомочевины. Большинство таких полимеров были более хрупкими, чем TUEG3, поскольку в них водородные связи были менее хаотичными. Кроме того, они хуже восстанавливались после повреждений. Больше всего на TUEG3 были похожи полимеры TUEG2 и TUEG4, которые тоже имели аморфную структуру.

Интересно, что синтезировать TUEG3 довольно просто: его можно получить в однореакторной (one-pot) поликонденсации коммерчески доступных мономеров.

Ранее мы писали о том, как полимер полиэтилакрилат в сотни раз повысил эффективность восстановления костей мышей.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.