Самовосстанавливающиеся материалы, над созданием которых специалисты активно работают в последние десятилетия, можно условно разбить на две большие категории.
Светотерапия: Самолечение в химии
Создан полимер, который восстанавливает разрывы в своей структуре, просто полежав под ультрафиолетовым излучением Солнца.
Первые представляют собой протяженные органические молекулы, связанные обычными ковалентными связями. Такие полимеры могут быть достаточно прочны даже для строительных задач, включая водопроводные трубы или просто уличные столики для кофейни. В такие соединения добавляют своего рода микрокапсулы, заполненные запасными мономерами, материалами, необходимыми на случай самовосстановления. При появлении повреждений капсулы разрушаются, высвобождая мономеры, которые и залечивают «рану». Главный недостаток такого подхода очевиден: по мере истощения запаса мономеров, полимер теряет способность к восстановлению.
Второй вариант связан с использованием куда менее прочных связей, формирующих надмолекулярные комплексы. Отдельные полимерные цепочки «сшиваются» друг с другом не жесткими ковалентными взаимодействиями, а намного более слабыми — металлической или водородной связью, пи-связями. При повышении температуры такие связи разрушаются довольно легко, но легко и образуются вновь при охлаждении. Так что надмолекулярные самовосстанавливающиеся полимеры — «долгоиграющие». С другой стороны, слабость связей между их молекулами обуславливает и то, что материалы эти, как правило, слишком мягки и непрочны.
Некоторые ученые не оставляют попыток найти способ «упрочить» эти полимеры. К числу их относится и швейцарская группа профессора Кристофа Ведера (Christoph Weder), основным объектом для которых послужили блок-сополимеры, составленные из смеси двух (редко — более) видов мономеров. Будучи смешанными, компоненты таких полимеров спонтанно формируют более-менее упорядоченную структуру чередующихся блоков или слоев, связанных как раз различными слабыми связями.
Ученые начали работу с полимером из двух типов мономеров. Один из них представлял собой обычную длинную углеродную цепочку, к концам которой были присоединены отрицательно заряженные группы. Второй был еще проще — ионы металла (в эксперименте использовались цинк и лантан). Положительно заряженные частицы металла стягивали на себя отрицательные концы цепочек, создавая протяженную полимерную цепь. Полярно-неполярные взаимодействия приводили к тому, что материал формировался слоями: заряженные слои связанных с металлом концевых групп чередуются со слоями неполярных углеродных цепей.
Такая структура, по словам авторов, несмотря на использование нековалентных взаимодействия для соединения отдельных молекул полимера, отличается почти той же прочностью, что и «ковалентные» пластики. Кроме того, цинк и лантан были выбраны неслучайно. Они замечательно поглощают УФ-излучение, так то если материал разрушить, а затем облучить ультрафиолетом, они поглотят его и переведут его энергию в тепловую. То есть, в хаотическое движение: область нарушения структуры как бы подплавится, и ионы металла в конце концов найдут отрицательно заряженные группы, снова соединившись с ними. Никакой потери в качествах материала не произойдет.
Пока что технология эта — чисто лабораторная: солнечного ультрафиолета для созданного учеными полимера недостаточно. Но ведь это только начало. Напомним, что мы также рассказывали о «самоизлечивающихся» фотоэлементах: «Исцели себя сам».
По публикации ScienceNOW