Od ciekłego azotu po 150 stopni Celsjusza
Naukowcy z Uniwersytetu Jilin w Chinach stworzyli materiał oznaczony jako PBDPA, którego zdolność do samonaprawy działa w niewyobrażalnie szerokim zakresie temperatur. Mowa o przedziale od kriogenicznego zimna -196°C aż po upał rzędu 150°C. W praktyce oznacza to, że przezroczysty, pomarańczowy kryształ może być zanurzony w ciekłym azocie, a po pęknięciu i powrocie do temperatury pokojowej samodzielnie się zregeneruje, odzyskując około 99% początkowej przezroczystości. Nie potrzeba do tego ani ciepła, ani ciśnienia, ani jakiejkolwiek innej interwencji z zewnątrz.
Czytaj też: Ten materiał można przetwarzać w nieskończoność. Przemysł lotniczy i energetyczny czeka na to od lat
Klasyczne materiały samonaprawialne działają na zasadzie dyfuzji: ich cząsteczki muszą przepływać, by wypełnić szczelinę. W niskich temperaturach ten ruch praktycznie ustaje, co blokuje cały proces. Kryształ PBDPA wykorzystuje zupełnie inną, sprytną zasadę, którą można porównać do zapinania zamka błyskawicznego. Każda cząsteczka w tym materiale jest dipolem, czyli ma wyraźnie zaznaczone bieguny dodatnie i ujemne. Co kluczowe, ułożone są one w naprzemiennych warstwach. W praktyce oznacza to, iż w jednej wszystkie „patrzą” w jednym kierunku, a w kolejnej w przeciwnym. To generuje silne oddziaływania elektrostatyczne między warstwami.
Gdy kryształ pęknie, a siła go rozciągająca zniknie, najbliższe sobie punkty brzegowe zaczynają się przyciągać. Potem proces rozchodzi się sekwencyjnie wzdłuż linii pęknięcia, idealnie dopasowując cząsteczki. Badania z użyciem mapowania elektrycznego potwierdziły, że to właśnie siły elektryczne są motorem naprawy. Materiał powstał w stosunkowo prostej reakcji chemicznej dwóch związków. Dzięki opisanemu mechanizmowi, który nie polega na dyfuzji, zachowuje swoje unikalne właściwości w temperaturze pokojowej, przy silnym mrozie i w wysokiej temperaturze.
Potencjalne zastosowania są ogromne
Gdy patrzy się na te parametry, od razu przychodzą na myśl ekstremalne środowiska, w których taki materiał mógłby być nieoceniony. Sprzęt lotniczy doświadcza gigantycznych wahań temperatury: od rozgrzanego pasa startowego po mroźne powietrze na pułapie przelotowym. Podobnie urządzenia do badań głębin oceanicznych czy stacji polarnych pracują w warunkach, które szybko degradują konwencjonalne komponenty. Możliwość autonomicznego leczenia mikrouszkodzeń, zanim przekształcą się one w poważną awarię, mogłaby radykalnie przedłużyć żywotność krytycznego sprzętu i obniżyć koszty jego utrzymania. Chińscy naukowcy zaprojektowali już prototypowy system transmisji optycznej z wykorzystaniem PBDPA, który potrafi odzyskiwać sprawność po mechanicznym uszkodzeniu. Sugeruje to drogę do tworzenia niezwykle trwałych elementów optycznych.
Odkrycie zespołu z Jilin University ma fundamentalne znaczenie. Po raz pierwszy pokazano, iż bariera niskich temperatur, dotąd blokująca rozwój materiałów samonaprawialnych, może zostać przełamana w sprytny sposób. To oczywiście nie znaczy, że już jutro nasze smartfony będą same naprawiać pęknięte wyświetlacze. Droga od laboratoryjnego kryształu do komercyjnego produktu jest długa i wymaga rozwiązania kwestii wytrzymałości mechanicznej, skalowania produkcji i kosztów. Mimo to, prace te wyznaczają nowy, niezwykle obiecujący kierunek.