В удаленных средах инженеры ограничены только теми материалами, которые у них есть под рукой. Это особенно актуально для миссий по исследованию моря и космоса, где существует реальная мотивация для экономии веса брать с собой в поездку только минимальное количество припасов.
Но что, если бы у инженеров был доступ к материалу, который при необходимости мог бы стать жестким пластиковым инструментом или мягкой резиновой лентой?
Это именно то, что разработали исследователи из Чикагского университета совместно с сотрудниками Аргоннской национальной лаборатории, Исследовательской лаборатории армии США, НАСА и Национального института стандартов и технологий (NIST).
Подобно тому, как плюрипотентные стволовые клетки могут дифференцироваться во множество различных типов клеток, новый тип пластика может точно настраивать свои свойства для различных применений в зависимости от того, как его нагревать и охлаждать. Их многофункциональный пластик описан в новой статье, опубликованной в журнале Science.
Вдохновленная частично плюрипотентными стволовыми клетками и частично использованием закалки в металлургии для превращения стали во все, от острых как бритва ножей до прочных стальных балок, команда приступила к разработке своего рода плюрипотентного стволового полимера.
В результате получается полимерный материал, скрепленный обратимыми ковалентными связями, которые могут разрываться и динамически образовываться заново. Это позволяет большой сети составляющих полимерных цепей перестраиваться внутри материала, позволяя ему принимать новые формы и свойства при нагревании.
С помощью процесса, называемого динамическим фазовым разделением, вызванным реакцией, исследователи обнаружили, что можно кинетически заморозить топологии сети, сформированные при этих более высоких температурах, эффективно «зафиксировав» эти новые свойства. Именно это ключевое достижение отличает этот пластик от более традиционных термопластов, которые можно расплавлять и придавать им новые формы, но при этом не происходит соответствующего изменения свойств материала.
«Мы считаем, что это первый пример синтетического материала, который демонстрирует плюрипотентное поведение», — сказал старший автор исследования Стюарт Роуэн из Чикагского университета. «Мы считаем, что это открывает путь к новому мышлению о материальном дизайне».
Тщательно регулируя температуру, до которой нагревался пластик, исследователи смогли точно настроить свойства своего плюрипотентного пластика для различных целей. Например, нагрев пластика до низких температур (около 60 °C) привел к образованию большего количества «динамических ковалентных связей» в материале, в результате чего после охлаждения до комнатной температуры получился очень жесткий и высокопрочный пластик. Из этого материала можно было изготавливать инструменты, посуду и другие твердые предметы. Но когда пластик нагрели до более высоких температур (около 110 °C), в результате получился гораздо более мягкий и растяжимый материал, который можно было использовать в качестве клея.
«Мы были удивлены тем, сколько различных механических свойств мы смогли получить», — сказал соавтор исследования Николас Бойнтон. «Из этого единственного исходного материала мы можем превратить его во что-то, что ведет себя как твердый, высокопрочный материал или во что-то довольно гибкое, например, резиновую ленту».
Что наиболее важно для многофункционального материала, новый пластик можно снова закалить при разных температурах, чтобы получить новые и разные состояния. В настоящее время новый пластик, разработанный командой, может сохранять свои новые свойства на срок до одного месяца при комнатной температуре. Теперь они исследуют, как улучшить диапазон свойств, которыми можно наделить пластик.
«Если вы собираетесь жить на Луне или Марсе, вы не можете взять с собой кучу материалов, и у вас нет доставки Amazon Prime, поэтому было бы здорово, если бы у вас был этот единственный материал, который вы может превратиться во множество разных вещей», — сказал Бойнтон.
Помимо того, что это полезный многоцелевой материал для сред с ограниченными ресурсами, исследователи также надеются, что их новый материал может открыть двери для новых подходов к переработке пластика; Если бы один пластик, способный принимать множество различных форм, заменил множество различных типов пластика, которые мы используем сегодня, не было бы необходимости разделять пластик перед переработкой.
«Мы хотим переосмыслить подход к разработке материалов», — сказал Роуэн. «Вместо того, чтобы разрабатывать один материал для одного применения, давайте перевернем это с ног на голову и посмотрим, сможем ли мы создать один материал, который можно будет дифференцировать, чтобы он был полезен для многих приложений».
