Восстанавливающиеся материалы – уже не фантастика

Впечатляющий образ робота из жидкого металла, впервые представленный в «Терминаторе», стал самым ярким символом самовосстанавливающихся конструкций. Но оказывается, уже сделаны первые шаги по созданию материалов, которые способны устранять повреждения своей структуры.

Наиболее зрелищной демонстрацией процесса самовосстановления конструкции, является видео, посвященное докладу коллектива разработчиков на конференции UIST 2019. Такого впечатляющего результата удалось достичь с использованием композитного материала MWCNTs-PBS, в состав которого входит полимерный полиборосилоксан (PBS) и наполнитель в виде многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT). Как видим, он сохраняет механическую и электрическую способность к самовосстановлению без каких-либо внешних воздействий.

По заявлению разработчиков, они разработали гибридную модель, которая сочетает в себе PBS, MWCNTs-PBS и другие распространенные мягкие материалы, включая ткань и силикон, для создания интерфейсных устройств с возможностью самовосстановления, распознавания и срабатывания. Эти устройства были реализованы путем послойной укладки без клея или какой-либо последующей обработки за счет использования присущих материалам свойств к самовосстановлению между двумя слоями.

Примерно на том же принципе базируется еще один проект, где задействован пластик для 3D-принтеров. Профессор Сирил Бойер с командой, куда вошли доктор Натаниэль Корриган и Майкл Чжан из Школы химического машиностроения Университета Нового Южного Уэльса показали, что добавление «специального порошка» к жидкой смоле, используемой в процессе печати, впоследствии может помочь в быстром и легком ремонте в случае разрыва материала. Правда, в этом случае все же требуется внешнее воздействие в виде облучения светом на протяжении около часа. Впрочем, вряд ли можно считать это особой обработкой. По заверению авторов, место сращивания после освещения становится едва ли ни более прочным.

Посвященная этой разработке публикация была сделана в научном журнале Angewandte Chemie International Edition. Здесь сообщается, что такими удивительными свойствами обладает тритиокарбонат, известный как агент обратимой передачи цепи фрагментации присоединения (RAFT), который был первоначально разработан CSIRO. Агент RAFT позволяет перестраивать наноскопическую сеть элементов, из которых состоит материал, в результате чего и соединяются разрозненные фрагменты.

Для иллюстрации возможностей применяемых в этом проекте материалов был показан восстановленный объект – созданная на 3D-принтере скрипка, гриф которой был сращен после поломки.

Не таким зрелищным является проект, созданный в Technion (Israel Institute of Technology). В его рамках использованы экологичные полупроводниковые нанокристаллы. Описывающая проект статья опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Вкратце суть разработки заключается в том, что группа материалов, называемых двойными перовскитами, проявляет свойства самовосстановления после повреждения излучением электронного луча. Это было выяснено с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Дело в том, что электронный пучок высокого напряжения, используемый в этом типе микроскопа, вызывал дефекты и отверстия в нанокристаллах. Затем исследователи смогли изучить, как эти повреждения взаимодействуют с окружающим их материалом, двигаются и трансформируются внутри него.


Они увидели, что дефекты свободно перемещаются внутри нанокристалла, но избегают его краев. Исследователи разработали ПО для обработки десятков видеороликов, сделанных с помощью электронного микроскопа, чтобы понять динамику движения внутри кристалла. И в результате обнаружили, что кверны, которые образовывались на поверхности наночастиц,  затем перемещались в энергетически стабильные области внутри. Было высказано предположение, что причиной их движения внутрь являются органические молекулы, покрывающие поверхность нанокристаллов. Как только эти органические молекулы были удалены, группа обнаружила, что кристалл самопроизвольно выбрасывал каверны на поверхность, возвращаясь к своей первозданной структуре — другими словами, его поверхность восстанавливалась.

По мнению авторов проекта, это открытие является важным шагом на пути к пониманию процессов, которые позволяют наночастицам перовскита исцелять себя, и прокладывает путь к их включению в солнечные панели и другие электронные устройства. Поэтому не будем грешить на отсутствие зрелищности этого процесса, возможно именно он будет положен в основу того самого робота из жидкого металла, который может появиться в будущем.
 

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365