Materiał przeczący zasadom
Kompleksimer podważa fundamentalną zasadę materiałoznawstwa, która przez dekady wydawała się nie do obejścia. Zespół Jaspera van der Guchta z holenderskiego uniwersytetu udowodnił, że tworzywo może być jednocześnie łatwe w obróbce termicznej i wyjątkowo odporne mechanicznie. To zmusza do przewartościowania dotychczasowej wiedzy o zachowaniu materiałów szklistych. W wysokiej temperaturze kompleksimer zachowuje się jak szkło, dlatego można go dmuchać, ugniatać i formować z niezwykłą swobodą. Po ostygnięciu i zestaleniu zyskuje jednak cechy solidnego plastiku, skutecznie absorbując energię uderzenia zamiast rozpadać się na drobne kawałki. Połączenie tych dwóch przeciwstawnych cech w jednym materiale przez długi czas uważano za fizycznie niemożliwe.
Czytaj też: Nowe metamateriały z MIT mogą wchłaniać uderzenia jak kontrolowana poduszka powietrzna
Sekret niezwykłych właściwości tego tworzywa tkwi w jego budowie molekularnej. W konwencjonalnych plastikach cząsteczki łączą się za pomocą chemicznych wiązań krzyżowych, które działają jak trwały, nieodwracalny klej. Kompleksimer wykorzystuje zupełnie inną filozofię: opiera się na fizycznych siłach przyciągania między naładowanymi elektrycznie łańcuchami polimerów. W tym materiale jedna część długich cząsteczkowych łańcuchów ma ładunek dodatni, a druga – ujemny. Przeciwne ładunki przyciągają się wzajemnie, utrzymując całą strukturę w spójności, lecz bez tworzenia sztywnych, chemicznych połączeń.
W ten sposób łańcuchy pozostają razem, bez chemicznego utrwalenia – dodaje Sophie van Lange z zespołu WUR
Siły elektrostatyczne działają na większą odległość niż klasyczne wiązania chemiczne. Dzięki temu między cząsteczkami powstaje swoista „strefa buforowa”, dodatkowa przestrzeń. To właśnie ona umożliwia materiałowi absorbowanie energii uderzenia, a jednocześnie pozwala mu na płynięcie w wysokiej temperaturze. Naukowcy przyznają, iż pełne zrozumienie tego mechanizmu wymaga dalszych badań, a obecna teoria jest wciąż hipotezą. Samo odkrycie wskazuje jednak, że naładowane elektrycznie materiały mogą kryć w sobie nieznane dotąd możliwości.
Jak to w zasadzie działa?
Najbardziej spektakularną cechą kompleksimeru jest jego zdolność do samoregeneracji. Gdy materiał pęknie, naprawa nie wymaga kleju, specjalistycznych narzędzi ani wymiany całego elementu. Procedura jest zaskakująco prosta: uszkodzone miejsce podgrzewa się strumieniem gorącego powietrza z suszarki do włosów, ściska brzegi szczeliny, a po ostygnięciu tworzywo wraca do stanu pierwotnego.
Poważne pęknięcie? Wystarczy podgrzać suszarką do włosów, ścisnąć, a szczelina znowu się zasklepi – wyjaśnia van der Gucht
Mechanizm jest bezpośrednio powiązany z molekularną budową. Ciepło tymczasowo osłabia elektrostatyczne przyciąganie między łańcuchami, pozwalając im na swobodniejsze przemieszczanie się. Po dociśnięciu do siebie, łańcuchy ponownie odnajdują swoje „magnetyczne” partnerki i łączą się. Po schłodzeniu wiązania odzyskują pełną wytrzymałość. Potencjalnych zastosowań jest mnóstwo – od wytrzymałych paneli przez meble aż po elementy konstrukcyjne, których żywotność można wielokrotnie przedłużać bez generowania odpadów.
Biodegradowalna przyszłość
Obecna wersja kompleksimeru jest wytwarzana z surowców kopalnych, co znacznie ogranicza jej ekologiczny walor. Zespół z Wageningen ma jednak ambitny plan, by w ciągu kilku najbliższych lat opracować wersje oparte na surowcach odnawialnych, a docelowo – również biodegradowalne. Wouter Post, badacz zajmujący się zrównoważonymi technologiami, zwraca uwagę na szerszy kontekst. Większość współczesnych badań koncentruje się na ulepszaniu metod recyklingu istniejących plastików. Kompleksimer proponuje inne podejście: tworzenie materiałów, które z założenia są łatwe do naprawy i mogą ulec szybkiemu rozkładowi.
Czytaj też: Nowy materiał odmienia odzysk energii z ciepła odpadowego. Jak to możliwe, że powstał dopiero teraz?
Przejście na biosurowce nie będzie łatwe. Wymaga znalezienia naturalnych związków, które można naładować elektrycznie i połączyć w stabilne struktury. Naukowcy mają kilka pomysłów, ale ich realizacja to kwestia lat, a nie miesięcy. W ogólnym rozrachunku odkrycie kompleksimeru to zaledwie wstęp do szerszych badań nad klasą naładowanych materiałów. Naukowcy zdają sobie sprawę, że otworzyli puszkę Pandory, która może zmienić sposób myślenia o właściwościach materii.
