Dziury znikną

Wśród otaczających nas materiałów trudno szukać takich, które przez cały okres użytkowania zachowują swoje pierwotne właściwości. Prędzej czy później, pod wpływem różnych czynników, ulegają one uszkodzeniom lub nie spełniają założonych parametrów. Możemy rozróżnić trzy podstawowe powody powyższego.
Pierwszy to starzenie się materiału - pod wpływem ciepła, światła, wody, czy też czynników chemicznych. Materiał pracujący w takich warunkach traci swoje właściwości założone na etapie produkcji/ wbudowywania.
Drugi powód - zużycie mechaniczne. W wyniku ciągłej eksploatacji, powtarzających się ruchów, a zwłaszcza sił tarcia, następuje stopniowe zużycie się (zmęczenie) materiału.
Trzeci powód - najgroźniejszy, to wady wewnętrzne materiału. Gdy pod wpływem zewnętrznych naprężeń i odkształceń następują pęknięcia wewnętrzne, ich rozprzestrzenianie się przebiega bardzo szybko, co doprowadza do nagłego i niespodziewanego rozerwania się materiału.
Oczywiście człowiek znakomicie zdaje sobie sprawę z istniejących zagrożeń. Stąd częste kontrole jakościowe materiałów, nadzór nad budowlami, drogami już na etapie powstawania, jak i podczas ich użytkowania. Kontrole, naprawy, wymiany są oczywiście kosztowne. Bywają też sytuacje, gdy sprawdzenie zachowania się materiałów jest bardzo trudne lub wręcz niemożliwe. Mowa tu o miejscach trudno dostępnych, o konstrukcjach znajdujących się pod ziemią, na wysokości. Podobnie wygląda sprawa z wykonaniem badań nieniszczących metali. Stąd badania/ poszukiwania naukowców w celu znalezienia (wyprodukowania) materiałów, które same by się „leczyły” (samouzdrawiały). Obserwując przyrodę, ludzkie ciało, mamy przecież z takimi samouzdrowieniami do czynienia (chociażby zrastanie się kości, gojenie się ran). O ile jednak organizm żywy "wie", kiedy i jak zadziałać, by leczyć tylko uszkodzone miejsce, to w przypadku materiałów stanowi to duży problem i ciągłe wyzwanie. Projekty naukowe skupiają się przede wszystkim na badaniu kilku grup materiałów. Są nimi:

W przypadku polimerów możemy wyróżnić kilka sposobów leczenia.
Do najbardziej znanych należą materiały z wbudowanymi mikrokapsułkami wypełnionymi "klejem". Substancja ta (dicyklobutadien, DCPD) występuje w formie cieczy i jest zamknięta w mikrokapsułkach rozproszonych w materiale (zazwyczaj jest ok. 6.000 do 12.000 kapsułek na dm³). W momencie wystąpienia zbyt dużego naprężenia, mogącego spowodować pęknięcie materiału, następuje złamanie kapsułki, z której uwalnia się materiał klejący, przyczyniając się do uszczelniania pęknięcia. Działa to podobnie, jak w przypadku kleju epoksydowego, w którym dostarcza się dwa ciekłe polimery w oddzielnych pojemnikach. Podczas mieszania cieczy ze sobą następuje reakcja chemiczna, w wyniku której otrzymujemy mocny klej. Polimeryzacja następuje w warunkach normalnego ciśnienia i temperatury. Do głównych wad metody kapsułkowania należą: wielkość kapsułek (muszą być bardzo małe, aby nie osłabić materiału, w którym są osadzone) oraz ograniczona ilość szkód, jakie mogą naprawić (wielkość pęknięć, które mogą wypełnić). Innym problemem jest to, że kapsułki mogą uzdrowić uszkodzenie tylko raz.
W celu wyeliminowania tych wad naukowcy wdrażają system podobny do ludzkiego systemu naczyń krwionośnych. W przypadku wystąpienia uszkodzenia tkanek nasz system dostarcza dodatkowe "środki naprawcze" wyłącznie tam, gdzie są potrzebne i tylko wtedy, gdy są one potrzebne. Naukowcy podjęli próby opracowania materiałów samoleczących, które działają w analogiczny sposób. Niektóre z nich mają wbudowane sieci bardzo cienkich rurek naczyniowych (około 100 mikronów grubości, czyli trochę grubsze niż przeciętny ludzki włos), przez które można pompować środki lecznicze (kleje lub inne niezbędne komponenty) do punktu awarii tylko wtedy, gdy trzeba to zrobić. Udało się otrzymać samonaprawiający się polimer, który automatycznie łata dziury nawet o średnicy 3 cm. Materiał do odnowy jest dostarczany dwoma równoległymi naczyniami. Główną przeszkodę, jaka przy tych wielkościach napraw występuje - grawitację, przezwyciężono dzięki szybkiemu żelowaniu zmieszanych substancji. Żel twardnieje, tworząc wytrzymały mechanicznie polimer. Gdyby twardnienie nie zachodziło natychmiastowo, użyte do leczenia substancje wyciekałyby z miejsca uszkodzenia, a tak tworzą coś na kształt skrzepu (analogicznie do układu krążenia). Tworzy się żel, który wspiera i zatrzymuje ciecz. Ponieważ nie jest to jeszcze materiał strukturalny, można kontynuować proces odrastania, pompując do dziury więcej cieczy.
Jeszcze inną koncepcją, która po części bazuje na dwóch powyższych, jest wtórna polimeryzacja. Polega ona na ponownym połączeniu miejsc z mechanicznie powstałymi defektami za pomocą silnych wiązań kowalencyjnych. Kluczowym elementem jest użycie odpowiedniej pary substratów, umożliwiających wystąpienie skoordynowanej cykloaddycji podstawionego alkenu do sprzężonego dienu. Badaczom udało się stworzyć siatkę połączonych ze sobą włókien i cząsteczek zdolnych do samoregeneracji na skutek odwracalnej reakcji chemicznej. Inżynierowie wykorzystali związki cyjanoditioestru (CDTE) oraz cyklopentadienu (CP). Cyklopentadien łatwo ulega dimeryzacji już w temperaturze pokojowej (szybciej po ogrzaniu). Rozerwana sieć polimerowa regenerowała się w stosunkowo niskich temperaturach od 50°C do 120°C, w ciągu zaledwie pięciu minut. Badania mechaniczne, takie jak próby rozciągania i lepkości, potwierdziły, że pierwotne właściwości materiału zostały całkowicie przywrócone. Co ważne, mechanizm samoleczenia może być inicjowany wielokrotnie, w dowolnym czasie przez ciepło, światło lub dodatek odpowiedniej substancji.
Kolejne materiały to polimery z pamięcią kształtu (SMP). Odznaczają się one licznymi zaletami w porównaniu do stopów metali z pamięcią kształtu, takimi jak: mała gęstość (od 1,0 do 1,3 g/cm³), znaczne odwracalne odkształcenia (maksymalny współczynnik powrotu powyżej 400%), niskie koszty wytwarzania i łatwość przetwórstwa. Najbardziej popularnymi SMP są poliuretany segmentowe, m.in. dlatego że łatwo jest je wytworzyć. Poza tym charakteryzują się dużą odpornością na działanie rozpuszczalników organicznych i roztworów wodnych, odpornością na promieniowanie UV, mogą być biozgodne. Poprzez zmianę budowy segmentów, ich długości i udziału można wpływać na właściwości otrzymywanych poliuretanów, w tym także na efekt pamięci kształtu. Zjawisko pamięci kształtu polimerów polega na powrocie polimeru do kształtu pierwotnego po zdjęciu obciążenia wywołującego zmianę kształtu i po ogrzaniu polimeru do temperatury wyższej niż temperatura jego przemiany zeszklenia (Tg). Zjawisko pamięci kształtu w polimerach charakteryzują znaczne wartości wywoływanych odkształceń i duża szybkość powrotu do stanu wyjściowego. Zjawisko pamięci kształtu może też być wykorzystywane w elastycznych piankach poliuretanowych o porowatości otwartej, prasowanych i przechowywanych w temperaturze znacznie niższej niż Tg poliuretanu. Po ogrzaniu do temperatury wyższej od Tg pianka powraca do pierwotnych wymiarów. Potencjalne zastosowanie takich pianek można znaleźć w budownictwie oraz w przemyśle kosmicznym. SMP znalazły zastosowanie między innymi jako czujniki temperatury, w medycynie natomiast jako inteligentne szwy chirurgiczne, które po nałożeniu samoczynnie zacieśniają się na zesztywniałej ranie. Materiały samouzdrawiające z pamięcią kształtu, aby zadziałać potrzebują więc jakiegoś mechanizmu dostarczania ciepła do miejsca, gdzie wystąpiło uszkodzenie. W praktyce może to być wbudowana sieć światłowodowa podobna do sieci naczyń stosowanych w innych materiałach samoleczących, z tym, że zamiast pompowania polimeru lub kleju, przewody te są wykorzystywane do dostarczenia światła i energii cieplnej do punkt awarii. Skąd przewód "wie" gdzie dostarczyć światło? Jeżeli nastąpi pęknięcie materiału, nastąpi również pęknięcie przewodu światłowodowego osadzonego wewnątrz, stąd światło trafia bezpośrednio w miejsce awarii. Mogłoby się wydawać, że światłowody osłabią materiał, ale w rzeczywistości mogą go wzmocnić poprzez przekształcenie go w kompozyt wzmocniony włóknami szklanymi (podobnie jak pręty zbrojeniowe w betonie).

Chyba nie trzeba nikomu mówić, jak wszechstronne jest wykorzystanie w budownictwie betonu. Używany do budowy mostów, dróg, domów, wystawiony na działanie czynników atmosferycznych, poddawany ciągłym obciążeniom, w końcu też się poddaje. Stąd utrzymanie w dobrej formie konstrukcji betonowych wymaga ogromnego wysiłku. Byłoby idealnie, gdyby udało się znaleźć sposób, aby beton mógł zadbać sam o siebie. Mimo że beton jest najczęściej używanym na świecie materiałem budowlanym, ma on poważną wadę: może łatwo pękać. Przez powstające rysy w konstrukcji dostaje się woda, która prowadzi do korozji zbrojenia stalowego, co z kolei zagraża właściwościom mechanicznym konstrukcji. Dlatego inżynierowie często wykorzystują większe ilości stali zbrojeniowej w strukturze betonu, aniżeli jest to niezbędne. A to z kolei podnosi koszty budowy. Naprawa powstających pęknięć jest również mocno utrudniona w przypadku konstrukcji podziemnych. Zamknięte drogi betonowe, ze względu na prowadzone prace remontowe, to zmora dla kierowców wielu krajów.
Naukowcy z całego świata starają się znaleźć optymalne rozwiązanie dla konstrukcji betonowych. Podobnie jak w polimerach, stosuje się m.in. strukturę sieci naczyń krwionośnych dostarczających niezbędne do naprawy pęknięcia związki kleju.
Rozwiązaniem, które budzi olbrzymie zainteresowanie jest osadzenie w strukturze betonu specjalnych bakterii, zdolnych do przeżycia w środowisku o bardzo wysokim wskaźniku pH, jaki ma beton. Umieszczone w małych kapsułkach leżą "uśpione" i czekają na "sygnał". Gdy woda przedostanie się do pęknięcia, kapsułki rozrywają się, a bakterie zaczynają produkować węglan wapnia (biocement), wypełniając szczeliny zanim te staną się szerokimi dziurami. Owa produkcja to przetworzenie przez bakterie skrobi (która jest ich pokarmem) na wydalany przez nie węglan wapnia. Obecnie badania koncentrują się na stworzeniu takich warunków dla bakterii, aby mogły produkować jak najwięcej kalcytu, a zwłaszcza na optymalizacji dystrybucji pożywki. Okazuje się, że popękany beton może z pomocą tych bakterii odzyskać 90% swojej siły.

À propos dróg. Holendrzy od dwóch lat testują budowę dróg z porowatego asfaltu, który też może sam się leczyć. Dzięki odpowiedniej strukturze porowaty asfalt lepiej przepuszcza wodę z opadów, dzięki czemu ogranicza niebezpieczne zjawisko aquaplaningu. Taki materiał zapewnia też mniejszą emisję hałasu. Ale ma i swoje ograniczenia – dziury i pęknięcia powstają przez wykruszanie małych odłamów, które mogą bombardować karoserię samochodu i ją uszkadzać. Asfalt porowaty zawiera niewielkie spoiwa między ziarnami. Wskutek promieniowania UV utleniania się bitumen (klej między ziarnami), zaczyna się degradować i pojawiają się mikropęknięcia. Rozwiązaniem tego problemu ma stać się zmieszanie bitumenu z kawałkami wełny stalowej. W tym przypadku do regeneracji potrzebna jest maszyna z płytą indukcyjną, która spowoduje rozgrzanie wełny stalowej, która następnie "zasklepi" bitumen. Na podstawie badań na odcinku autostrady wykazano, że jeśli co cztery lata wyjedzie się na drogę z dużą naprawiającą maszyną indukcyjną, to żywotność nawierzchni podwoi się.


Czekamy na kolejne samoleczące się lub wymagające niewielkiej pomocy w leczeniu materiały, a przede wszystkim na wdrożenie ich do masowej produkcji, a dziury "same" znikną!