Самозаживляющийся полимер восстановился без внешней помощи

Ученые-химики из Китая смогли получить самовосстанавливающийся полимер. Разрезанный пополам образец этого материала снова стал единым целым через 10 минут. Для восстановления не понадобились никакие внешние воздействия — срастание полимера было полностью автономным.

Процесс успешно проводили не только в идеальных условиях, но и в щелочной, кислой средах, при низкой температуре. Восстановление происходило благодаря совместному действию трех линкеров — двухцепочечных молекул, которые выступают связующим звеном и соединяют цепи полимера. Результаты исследования зафиксированы в Nature Communications.

До сих пор все разработанные полимеры или требовали внешних усилий для восстановления, или были непрочными

В живом организме ткани имеют способность регенерироваться. Ученые разрабатывают искусственные материалы, которые тоже сами смогут восстанавливать свою структуру, для применения при создании электронной кожи и гибкой электроники. Это поможет улучшить надежность и безопасность материалов, увеличить их срок службы.

Пока разработка самовосстанавливающихся материалов, которые могут срастаться в агрессивных условиях, — непростая задача. Большинство материалов требует внешних воздействий (света, тепла или давления) для регенерации либо конструкции проявляют слабую механическую прочность при испытаниях. 

Молекулярная структура полимера PDMS-SS-IP-BNB с высокой прочностью, растяжимостью и способностью к автономному самовосстановлению. Изображение: Hongshuang Guo, Yi Han, Weiqiang Zhao, Jing Yang// Nature Communications

Полученный химиками из Университета Тяньцзинь супрамолекулярный полимер демонстрирует хорошее растяжение как для образцов без надреза (14000%), так и с надрезом (1300%). Автономное самовосстановление происходит в самых разных условиях: при комнатной температуре (за 10 минут), сверхнизкой температуре (-40° C), под водой (эффективность восстановления 93%), в охлажденной высококонцентрированной соленой воде (30% раствор NaCl при −10° C — КПД 89%), и в кислотно-щелочной среде (pH=0/14 — эффективность восстановления 88/84%). 

Исследователи синтезировали семь полимеров с разными формулами. В их основе лежали цепи из полидиметилсилоксана (PDMS) в различных пропорциях с добавлением линкеров: ароматического дисульфида (SS), производного бипиридина (BNB) и изофорона димочевины (IP).

Каждый из полученных материалов испытали на растяжимость и способность к самовосстановлению. Образец растягивали, разрезали и соединяли обе части. Лучше всех показали себя материалы со всеми тремя линкерами, но лидером по эластичности выступил полимер со структурой PDMS/IP/SS/BNB, где мольное соотношение составляло 4/8/1/3. Рекорд по восстановлению в суровых условиях — у полимера с соотношением 4/8/2/2. Он показал хорошие результаты при низкой температуре, в кислой и щелочной среде, а в нормальных условиях регенерировался за 10 минут.

Проводимость после самовосстановления полимера осталась неизменной, т.е. его можно использовать для гибкой носимой электроники. Изображение: Hongshuang Guo, Yi Han, Weiqiang Zhao, Jing Yang// Nature Communications

Авторы исследования также продемонстрировали, что полученные ими полимеры можно использовать для гибкой электроники. Они нанесли на полимер проводящие чернила из индия и галлия, и стало очевидно, что их проводимость неизменна при растяжении материала на 400% от базовой длины, а после его разрыва она восстанавливается.