Китайские химики получили самозаживляющийся полимер: если разрезать образец из такого материала пополам, а затем положить две части вплотную друг к другу, через 10 минут он будет снова целым. Восстановление может происходить в жестких условиях: в щелочи или кислоте, а также при низкой температуре. При этом никакая энергия извне — тепло, свет, давление — не требуется. Все это возможно благодаря совместному действию трех разных линкеров — связующих групп, которые склеивают между собой цепи полимера. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.
Ткани живых организмов (кожа, мышцы) способны самозаживляться, то есть восстанавливают свою структуру после повреждений. Сейчас ученые работают над воссозданием подобного эффекта в искусственном — чаще всего полимерном — материале. В первую очередь такие материалы нужны как основа для электронной кожи и искусственных мышц, также они могут найти применение в гибких носимых гаджетах и других устройствах. Впрочем, большинство искусственных самозаживляющихся материалов пока обладает одним общим недостатком: для того, чтобы запустить восстановление образца, нужна внешняя энергия — световая, тепловая или механическая. Поэтому процесс самозаживления нельзя было считать полностью автономным.
Цзин Ян (Jing Yang) и Лэй Чжан (Lei Zhang) из Университета Тяньцзинь вместе со своими коллегами сумели получить полимерный материал, который может восстанавливаться самостоятельно — без притока энергии извне. В поисках оптимальной формулы они синтезировали семь разных полимеров. Основу каждого составляли длинные цепи из полидиметилсилоксана (PDMS), к которому добавляли различные связующие группы (линкеры). Когда полимер взаимодействует с линкерами, они прочно склеивают между собой концы его цепей, в результате получается более длинный полимер. В отличие от привычных нам полимеров (например, полиэтилена) такие соединения не обладают регулярной структурой: длинные цепи диметилсилоксана и компактные связующие группы в них расположены хаотично.
Авторы работы использовали три различных линкера: ароматический дисульфид (SS), который имеет в своем составе мостиковые связи сера-сера, производное бипиридина (BNB), которое может образовывать водородные связи, а также изофорон димочевину (IP), который тоже может образовывать водородные связи, но более слабые. Долю полидиметилсилоксана и линкеров варьировали — всего получилось семь разных составов полимера
Каждый полимер проверили на эластичность (тянули образец, измеряя, какое растяжение он может выдержать) и способность к самозаживлению (полностью разрезали образец на две части, плотно соединяли их и проверяли, восстановится ли целостность). В обоих случаях лучшие результаты показывали образцы, которые содержали в себе все три вида кросс-линкеров. Это неудивительно, ведь на молекулярном уровне эти два процесса (растяжение/сжатие и восстановление) похожи. Когда образец очень сильно растягивают, в нем тоже рвется какая-то часть связей, и, чтобы вернуться к первоначальному состоянию, их необходимо восстановить. Поэтому для обоих процессов нужны линкеры: сильные водородные связи придают эластомеру прочность и эластичность, более слабые водородные связи рассеивают энергию деформации за счет обратимого разрыва и образования; а дисульфидные связи обеспечивают эффективное самовосстановление.
Рекордсменом в эластичности оказался полимер, в котором мольное соотношение PDMS/IP/SS/BNB было 4/8/1/3. Он выдерживал растяжение вплоть до 14000 процентов своей изначальной длины. А вот лучше всего восстанавливался образец, в котором было чуть больше дисульфидных связей — соотношение 4/8/2/2. Такой полимер восстанавливал свою структуру даже в жестких условиях: при охлаждении до -40 градусов Цельсия, в очень кислых и очень щелочных растворах, а также в растворах с большим содержанием солей. В нормальных условиях процесс срастания занимает всего десять минут, прочность после этого отчасти ухудшается, но все еще впечатляющая — например, образец выдерживает вес в 526 раз больше собственного.
Любопытно, что пленки, в которых содержалось только дисульфидные или только водородные линкеры, восстанавливались значительно хуже. То есть способность к самозаживлению получается именно за счет синергии (совместного действия) этих двух механизмов.
Кроме того авторы показали, что подобные материалы — отличная основа для самозаживляющейся гибкой электроники. Эксперименты с нанесенными на полимер проводящими чернилами на основе индия и галлия (GaIn) показали, что проводимость сохраняется при растяжении вплоть до 400 процентов исходной длины, а после разрыва восстанавливается.
Использование линкеров — не единственный путь к самозаживляющимся полимерам. В поисках других таких материалов ученые нередко заимствуют идеи у природы. Например, в феврале химики из Германии и США искусственно воссоздали полимер, который входит в состав зубных тканей кальмара. Такой полимер способен эффективно восстанавливаться, а также обладает высокой прочностью и эластичностью.
Контррастворители развернули металл-органические полиэдры лицом к лицу
Японские химики получили аэрогель, который выдерживает сжатие на 87 процентов без разрушения, сохраняя при этом микропористость. Это стало возможным благодаря тому, что его собрали из одномерных нановолокон, которые состояли из металл-органических полиэдров. Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.