Wyobraź sobie materiał, który nie tylko opiera się uszkodzeniom, ale też sam się z nich leczy… i to niczym żywa tkanka. Pomyśl o panelach samolotów lub ramach samochodów, które po uszkodzeniu nie wymagają wymiany, lecz odzyskują swój kształt i wytrzymałość po podgrzaniu. Skutki dla niezawodności, kosztów utrzymania i bezpieczeństwa mogą być ogromne, a choć brzmi to, jak coś z odległej przyszłości, to w praktyce istnieje to już teraz, dzięki najnowszemu osiągnięciu nauki.
Naukowcy stworzyli samonaprawiający się plastik, który może uratować samoloty i samochody
Badacze opracowali przełomowy kompozyt o akronimie ATSP (Aromatic Thermosetting Copolyester), który łączy odporność typową dla tworzyw termoutwardzalnych z elastycznością termoplastów. Gdyby tego było mało, ma być podobno mocniejszy od stali, a jednocześnie lżejszy od aluminium. Sami naukowcy określają go również mianem inteligentnego i trudno się temu dziwić, bo ponoć potrafi zmieniać kształt, sam się naprawiać i zachowywać swoje właściwości, a to akurat może całkowicie zmienić sposób, w jaki postrzegamy trwałe i ekologiczne materiały.
Czytaj też: HIMARS na sterydach zapoczątkuje nowy wymiar wojny. GMARS zmieni to, jak postrzegamy artylerię rakietową
Tajemnica połączenia takich możliwości tkwi po części w fakcie, że ATSP należy do grupy materiałów, które mają dynamiczne, odwracalne wiązania chemiczne. Dzięki nim tworzywo może być jednocześnie stabilne chemicznie i podatne na modyfikacje pod wpływem odpowiedniego podgrzania, łącząc tym samym elastyczność termoplastów z trwałością termoutwardzalnych polimerów. Wzmocniony nieciągłymi włóknami węglowymi ATSP osiąga parametry mechaniczne kilkukrotnie przewyższające stal, a przy tym pozostaje lżejszy od aluminium, co jest idealnym połączeniem dla branż, w których waga i wytrzymałość są równie istotne.
Najważniejszą cechą ATSP jest jednak jego chemia wymiany wiązań. Po podgrzaniu mikropęknięcia lub odkształcenia można skutecznie usunąć. Dzięki temu materiał wraca do pierwotnego kształtu i wytrzymałości, a czasem nawet przewyższa swoje wcześniejsze parametry. Badacze określili dwa kluczowe progi temperaturowe podczas cyklicznych testów procesu naprawy, wskazując na temperaturę zeszklenia oraz witryfikacji. W pierwszej łańcuchy polimerowe zyskują ruchliwość, a w drugiej wymiana wiązań staje się na tyle aktywna, by umożliwić naprawę i zmianę kształtu. To drugie ma miejsce przy podgrzaniu ATSP do około 160°C, co uruchamia proces odzyskiwania kształtu. Kompozyt wytrzymał setki cykli obciążenie-naprawa bez uszkodzeń, a wręcz z czasem stawał się bardziej wytrzymały.
Czytaj też: Każdy strzał kosztuje mniej niż dziesięć centów
W bardziej wymagających testach próbki podgrzewano do 280°C po uszkodzeniu. Po dwóch cyklach ATSP niemal całkowicie odzyskał pierwotną wytrzymałość. Po piątym cyklu skuteczność naprawy spadła do około 80 proc., co badacze przypisują zmęczeniu mechanicznemu i mikrowadom produkcyjnym, choć z drugiej strony sama stabilność chemiczna pozostała nienaruszona. Obrazowanie rentgenowskie o wysokiej rozdzielczości wykazało, że struktura materiału wraca niemal do stanu początkowego nawet po wielu cyklach naprawy, z jedynie minimalnym, lokalnym zużyciem.
Tego typu materiał znajdzie zastosowanie w lotnictwie czy zastosowaniach wojskowych, a więc tam, gdzie materiały często poddawane są ekstremalnym obciążeniom i temperaturom, a awarie mogą mieć katastrofalne skutki. ATSP może naprawiać się w trakcie lotu lub podczas obsługi naziemnej, wydłużając żywotność i podnosząc bezpieczeństwo. Rewolucja może też mieć miejsce w motoryzacji, bo po kolizji elementy wykonane z ATSP mogłyby odzyskać kształt i integralność, zwiększając odporność na uderzenia i bezpieczeństwo pasażerów. Wysoka wytrzymałość materiału oznacza też mniejsze ilości odpadów i niższe koszty serwisowe, podczas gdy sam zrównoważony rozwój robi swoje, bo w przeciwieństwie do typowych tworzyw termoutwardzalnych, które nie nadają się do recyklingu, ATSP można wielokrotnie przetwarzać i kształtować bez utraty jakości, co czyni go wyjątkowym kandydatem do gospodarki o obiegu zamkniętym.
Czytaj też: Interferencja destrukcyjna jako broń. Chińczycy opracowali system zakłóceń nowej generacji
Badaniami kierował dr Mohammad Naraghi z Texas A&M University przy współpracy z University of Tulsa. Projekt wspierał Departament Obrony USA, w tym Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), a w pracach brali udział partnerzy z branży, m.in. ATSP Innovations. Samo opracowanie ATSP ma otworzyć ekscytującą perspektywę materiałów aktywnych, czyli takich zdolnych do adaptacji, samonaprawy i ewolucji. Nie wszystko jest jednak takie idealne i proste, bo przejście z laboratorium do masowej produkcji jest wyzwaniem. Dlatego też teraz naukowcy muszą zadbać o kwestię skalowania produkcji, zapewnienia stałej jakości oraz integracji ze złożonymi systemami inżynieryjnymi podlegającymi rygorystycznym regulacjom. Finalnie jednak powstanie ATSP może zwiastować nową erę, w której tworzywa nie tylko przetrwają wieki, ale będą się adaptować.