Materiali all'avanguardia come il grafene, un sottile foglio di carbonio spesso solo un atomo, stanno diventando più leggeri, più forti e più facili da produrre ogni giorno, offrendo un nuovo potenziale per trasformare le industrie dalla desalinizzazione dell'acqua alle celle solari e al rilevamento delle malattie.
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Ma i nostri materiali artificiali mancano ancora di una qualità tanto desiderata che si trova naturalmente nelle radici delle piante e della pelle umana: la capacità di guarire se stessi.
Un team guidato da Scott White presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha deciso di cambiare ciò aggiungendo un sistema vascolare artificiale alla plastica. L'idea è di riempire le pseudo-vene del materiale con liquidi chimicamente reattivi in modo che quando la plastica viene strappata, le sostanze possano combinarsi e solidificarsi come il sangue coagulato, proteggendo l'oggetto da ulteriori danni.
In un video dimostrativo, il team verifica la tecnica su un blocco di plastica, pompando due liquidi attraverso canali separati nell'oggetto prima di perforare il materiale con un trapano da 4 millimetri. La ferita da trapano ha creato crepe che hanno rilasciato i canali del liquido, ma grazie al sistema vascolare, i liquidi hanno trasudato nel foro e si sono fessurati, in 20 minuti formando un gel spesso che ha impedito la diffusione del danno. Il gel si è solidificato nel giro di tre ore, alla fine si è riparato per essere circa il 60 percento più forte del materiale originale, secondo il team.
I ricercatori prevedono di utilizzare la tecnologia per proteggere tutto, dalle attrezzature militari ai materiali da costruzione, potenzialmente risparmiando tempo e risorse umane in situazioni di emergenza o in luoghi di lavoro difficili da raggiungere.
Il processo di miscelazione e solidificazione chimica può sembrare familiare a chiunque abbia mai usato la resina epossidica acquistata da un negozio di ferramenta. Ma Brett Krull, coautore della ricerca, afferma che il team si è allontanato dalle resine epossidiche, in gran parte a causa dei loro tempi di reazione lenti.
Sebbene produca un effetto simile agli epossidici, la nuova plastica aiuta a riparare i danni più velocemente, afferma Krull.
La differenza fondamentale:
"Abbiamo progettato il nostro sistema per subire due diverse transizioni", mentre la resina epossidica funziona in modo diverso, afferma Krull. "Due reazioni chimiche iniziano non appena si verifica la miscelazione, ma si verificano su scale temporali molto diverse."
Krull afferma che la prima reazione trasforma la miscela in un gel morbido entro 30 secondi. Ciò mantiene i prodotti chimici in posizione all'interno dell'area danneggiata, consentendo comunque l'erogazione di più liquidi nel foro o nella crepa fino a quando non è stata riempita. La seconda reazione, che trasforma le sostanze chimiche in un solido, avviene successivamente, a una velocità che può essere controllata modificando la composizione e le concentrazioni delle sostanze chimiche.
"La nostra chimica non si avvicina alla complessità di un sistema naturale", afferma Krull, "ma abbiamo progettato un sistema con una risposta al danno dipendente dal tempo".
White e il suo team hanno dimostrato la capacità di curare le crepe microscopiche in modo diverso in passato, usando epossidiche e microsfere incorporate. Ma il nuovo approccio vascolare consente la riparazione su una scala molto più ampia. La tecnica potrebbe essere usata per riparare uno squarcio sul lato di un trapano subacqueo, per esempio, o un segno distintivo su un veicolo spaziale che si scontra con una meteora.
I ricercatori devono ancora affrontare sfide mentre continuano a sviluppare materiali autosufficienti, incluso il modo per aumentare l'efficacia delle reti vascolari nel materiale (in questo caso la plastica) senza ridurne significativamente la forza o le prestazioni. Il team vuole anche dare al materiale la capacità di guarire da "ferite" multiple nel tempo.
I prodotti chimici dovranno probabilmente essere adattati per gestire aree di danno più estese. Secondo New Scientist, i buchi nel materiale più grandi di 8 mm hanno causato l'abbassamento delle sostanze chimiche. Il team pensa che l'uso di schiuma nei canali anziché nel fluido consentirà al materiale di curare aree più estese, anche se i ricercatori devono ancora testare questa opzione.
Krull afferma che cercheranno anche di rendere efficace il materiale in diversi ambienti, come temperature estreme, sott'acqua o nello spazio. (Finora, i test sono stati eseguiti principalmente in laboratorio).
Mentre un giorno la tecnologia potrebbe arrivare ai prodotti di consumo, non aspettarti che questi materiali autorigeneranti riparino magicamente la parte posteriore del tuo iPhone o del paraurti dell'auto. La tecnologia è ancora nelle prime fasi di sviluppo, afferma Krull. E poiché la ricerca è finanziata dalla US Air Force, è probabile che prima venga utilizzata su aerei da combattimento, carri armati o veicoli spaziali, insieme a dispositivi che sono difficili da riparare, come le apparecchiature di perforazione subacquea.
Ma questo è solo l'inizio di ciò che il materiale potrebbe essere in grado di fare, afferma Krull.
"La versione attuale è più simile a una cicatrice poiché il materiale guarito non è abbastanza buono come l'originale", afferma Krull. "Il nostro obiettivo a lunga distanza è quello di sviluppare un polimero veramente rigenerativo in cui il materiale perso da un evento di danno può essere sostituito con materiale della stessa composizione."
