Naprawa jak gojenie ran. Samoregeneracja maszyn i innego sprzętu

Materiały samonaprawialne, samoregenerujące się, zrastające, a czasem wręcz odrastające części to w naturze rzecz zwykła. Chcielibyśmy tego samego w technice. Szukamy rozwiązań. Niektóre pomysły nie tylko robią to co przyroda, ale działają na podobnej zasadzie.

Folie, szkła hartowane czy obudowy telefonów bardzo często przegrywają w chwili zderzenia z twardym podłożem. Jakiś czas temu pojawiły się doniesienia o prowadzonych przez firmę Motorola pracach nad nowym typem wyświetlacza. Smart Glass miałby wykazywać nie tylko ogromną odporność na stłuczenia, ale też możliwość samonaprawy, do pewnego stopnia. Początkowo zastąpiono szkło specjalnym niebywale twardym tworzywem sztucznym, które niestety szybko się rysowało. Ulepszona wersja Smart Glass została wykonana ze specjalnego polimerowego tworzywa z efektem pamięci. Oznacza to, że w przypadku jakiegokolwiek uszkodzenia element mógłby przywrócić swoją fabryczną formę. Osłony tego typu są obecnie dostępne w sprzedaży.

Firma analityczna CCS Insight przewiduje, że samonaprawiające się wyświetlacze mogą pojawić się w rynkowo dostępnych smartfonach do 2028 roku. Jednak eksperci tej firmy przyznają, że wyświetlacze tego rodzaju są wciąż „na wczesnym etapie rozwoju”. Większość rozwiązań zmierzających do wprowadzenia samonaprawy i regeneracji w urządzeniach codziennego użytku wciąż jest na etapie co najwyżej laboratoryjnym.

Poszukiwania od lat

Owe prace w ośrodkach badawczych trwają już zresztą wiele lat. Specjaliści z uniwersytetu w Pittsburghu już w 2013 opublikowali pracę o samoregenerującym się żelu polimerowym, który mógłby znaleźć zastosowanie w urządzeniach takich jak np. smartfony. Zaś pracujący na zlecenie NASA naukowcy opracowali w 2015 materiał, który samoregeneruje uszkodzenia strukturalne, np. otwory od uderzeń, w niezwykle krótkim czasie, poniżej jednej sekundy. Informacja o nowej technologii ukazała się wtedy w periodyku „ACS Macro Letters”. Pomysł polegał na umieszczeniu ciekłego czynnika pomiędzy dwiema warstwami polimerów w stanie stałym. W przypadku uderzenie, np. kuli, ciekła substancja w środku błyskawicznie reaguje z tlenem atmosferycznym, zachodzi polimeryzacja i otwór się zasklepia substancją o konsystencji stałej. Autorzy rozwiązania mówili przede wszystkim o zastosowaniu nowego materiału w poszyciach statków kosmicznych i kombinezonów astronautów do ochrony przed mikrodrobinami o ogromnych energiach.

Natomiast specjaliści z uniwersytetu w Pensylwanii postanowili przyjrzeć się, jak wygląda samoregeneracja w wykonaniu samej natury, a dokładnie zębów kałamarnic umieszczonych na mackach. Naukowcy wyizolowali z zębów proteiny, uformowali z nich coś na kształt kości piszczelowej a następnie przerwali i dociskali dwie części do siebie w środowisku wodnym. „Kość” zrosła się pod wpływem wody i nacisku. Wykazywała zaś właściwości fizyczne podobne do tych przed uszkodzeniem. Zdaniem ekspertów tego rodzaju biomimetyczny materiał mógłby znaleźć zastosowanie jako element pokrycia rozmaitych podwodnych instalacji, np. kabli kładzionych na dnie morskim, jak również jako element przedłużający trwałość medycznych narzędzi.

Natrafiliśmy na ślad takich procesów również w metalach, choć nie jest jeszcze dokładnie zbadana natura tego zjawiska. Proces „samoregeneracji” uszkodzenia w metalu zaobserwowali latem 2023 r. naukowcy z amerykańskich laboratoriów Sandia i teksaskiego Uniwersytetu A&M. Podczas testowania odporności metalu, z wykorzystaniem specjalistycznej techniki transmisyjnego mikroskopu elektronowego, zauważyli, że w bardzo małych skalach, w kawałku platyny o grubości 40 nanometrów zawieszonym w próżni, dochodzi do samonaprawy uszkodzeń. W próbce pojawiły się wywołane powtarzającymi się naprężeniami pęknięcia, znane jako uszkodzenia zmęczeniowe. Po około 40 minutach obserwacji, w miejscu pęknięcia w platynie zaczęło się łączenie struktury. To obserwacja niezwykła, dla której nie ma w tej chwili naukowego wyjaśnienia i nie była całkowicie nieoczekiwana dla uczestników eksperymentu.

W 2013 r. Michael Demkowicz z Uniwersytetu A&M, przewidywał w swojej pracy, że tego rodzaju „samoleczenie” nanopęknięć może zachodzić, napędzane przez drobne ziarna krystaliczne metali, które przesuwają się w odpowiedzi na nacisk. Badacze, którzy opisali swoje wyniki na łamach „Nature”, sugerują, że mogą w tym przypadku zachodzić zjawiska znane z procesów określanych jako „spawanie na zimno”. Zazwyczaj cienkie warstwy powietrza lub zanieczyszczeń zakłócają ten proces. Jednak w warunkach próżni czyste powierzchnie metali mogą znaleźć się na tyle blisko siebie, że dochodzi do „sklejenia”.

Od grafenu po polimerowe układy „krwionośne”

Superrozciągliwe, samoregenerujące się, przestrajalne polimery zaprezentowano po raz pierwszy pięć lat temu. Po uszkodzeniu, gumowate polimery (zwane elastomerami) całkowicie goiły się w ciągu 120 minut w temperaturze pokojowej. W nieco wyższych temperaturach goją się w ciągu 20 minut. Proces w pełni przywraca materiał i pozwala mu wrócić do pracy.

Rok wcześniej naukowcy z indyjskiego Hajdarabadu opisali w „Open Physics” niezwykłe efekty samoleczenia w grafenie. Mają nadzieję, że to odkrycie doprowadzi do opracowania elastycznych samonaprawialnych czujników do wykorzystania w sztucznej skórze. Pozwoliłoby to wyposażyć np. roboty w samoregenerującą się skórę, tak jak u ludzi. Skóra jest trudna do dokładnego skopiowania. Jest delikatna, a jednocześnie wysoce ochronna, giętka, ale odporna na stres. Powielenie tych cech w skórach stworzonych ze sztucznych substancji było trudnym zadaniem. Jeśli grafenowy nanoczujnik byłby w stanie wykryć pęknięcie w swojej własnej strukturze, skóra mogłaby zacząć je naprawiać i zapobiegać rozprzestrzenianiu się uszkodzenia. „Udało nam się udokumentować samoleczenie pęknięć w grafenie bez obecności jakiegokolwiek zewnętrznego bodźca i w temperaturze pokojowej”, wyjaśniał autor pracy Swati Ghosh Acharyya w wywiadzie dla Newswise.

Nieco później, bo w 2019 r., naukowcy z Uniwersytetu Południowej Kalifornii przy użyciu gumowego materiału drukowanego w 3D stworzyli nowy materiał, który można szybko produkować i który sam się naprawia, jeśli zostanie złamany lub przebity. Materiał ten może być przydatny w innych zastosowaniach niż tylko buty, w oponach, miękkiej robotyce i elektronice. Materiał jest wytwarzany przy użyciu metody druku 3D, która wykorzystuje fotopolimeryzację. Proces ten wykorzystuje światło do zestalenia płynnej żywicy w określony kształt lub geometrię.

Fotopolimeryzację osiąga się przez reakcję z grupą chemiczną zwaną tiolem. Po dodaniu do równania utleniacza tiole przekształcają się w inną grupę, znaną jako dwusiarczki, których rozszerzanie się umożliwia samonaprawę uszkodzeń. Odkrycie idealnych proporcji tych substancji było kluczem do stworzenia samonaprawiającego się materiału. „Zmieniając temperaturę, manipulujemy szybkością gojenia, jednak nawet w temperaturze pokojowej, materiał też się samoregeneruje”, czytamy w komunikacie.

Aby stworzyć materiał, który jest zarówno elastyczny, jak i odporny na uszkodzenia, Carmel Madjidi i jego zespół z Uniwersytetu Carnegie Mellon umieścili mikrokropelki płynnego stopu galu i indu w miękkiej, elastomerowej powłoce. Dzięki kompozytowi robot nadal porusza się, mimo doznanych uszkodzeń W zasadzie jest to hybryda cieczy i ciała stałego, która jest izolatorem elektrycznym, a poza tym jest rozciągliwa i zdolna do samonaprawy nawet po wielokrotnym uszkodzeniu. Gdy większość innych samonaprawiających się miękkich układów potrzebuje ekspozycji na ciepło, zwiększoną wilgotność czy inne czynniki, aby możliwy był ich powrót do pierwotnego stanu, kompozyt metali i elastomeru „leczy się”, tworząc nowe ścieżki elektryczne. Inspiracją do stworzenia kompozytu była zdolność układu nerwowego do regenerowania się.

Nowy materiał określa się jako hybrydę cieczy i ciała stałego, rozciągliwą i zdolną do samonaprawy nawet po wielokrotnym uszkodzeniu. Większość innych samonaprawiających się miękkich układów potrzebuje działania ciepła, wilgoci lub innych czynników zewnętrznych, kompozyt z Carnegie Mellon „leczy się”, wykorzystując przepływ elektryczności we własnej strukturze.

Informacja o opracowaniu przez zespół badaczy z Uniwersytetu Illinois tworzywa nie tylko powracającego do kształtu po uszkodzeniu, ale również regenerującego powstałe ubytki, ukazała się kilka lat temu w magazynie „Science”. Polimer odtwarzający powierzchnię dostarczany jest na miejsce w dwóch ciekłych strumieniach. Wypełniający dziurę żel szybko twardnieje, przywracając pierwotny wygląd uszkodzonej powierzchni. Naukowcy zapewniają, że tworzywo, które w ten sposób samo się naprawiło, jest nie do odróżnienia od powierzchni, która nie ma na koncie uszkodzeń. Profesor Jeffrey S. Moore z zespołu pracującego nad nową technologią materiałową wyjaśnia, że polega ona na naśladowaniu natury. „To działa tak samo jak w żywych tkankach”, mówi. W materiale opracowanym przez niego i jego kolegów wbudowano sieć naczyń, przez które w przypadku uszkodzeń przepływają ciecze regenerujące. Opracowana przez badaczy technologia najbardziej przypomina układ krwionośny. Jest siecią kanalików przenoszących substancje „uzdrawiające” materiał, np. włókno szklane, w miejscu, w którym pojawiają się drobne pęknięcia.

Ostatni przykład nie tylko pozwala na samoregenerację, jak to ma miejsce w naturze, ale przebieg procesu jest podobny do tego, co dzieje się w biologicznym systemach. Docieramy więc do biomimetycznego spełnienia z pożytkiem dla wszystkich.

Mirosław Usidus