Быстрый способ произвести разветвленные трубчатые материалы

«Есть желание создать структуры, похожие на живые, чтобы они функционировали в течение значительно более длительного времени, чем это происходит при существующих технологиях»

Черпая вдохновение в биологических сосудистых системах, которые можно увидеть при кровообращении или в листьях деревьев, исследователи более десяти лет разрабатывали разветвленные трубчатые композиты, которые самовосстанавливаются и самоохлаждаются.

В журнале Nature Communications [1], описан метод, который сокращает время производства трубчатых материалов от двух дней до примерно двух минут. Учёные использовали фронтальную полимеризацию смол.

«Это настоящий прорыв в создании сосудистых сетей из конструкционных материалов, который позволяет сэкономить много времени и энергии».

Самый простой способ понять эту работу - изобразить структуру листа растения с его внутренними каналами и разветвленными сетями. Представьте, что лист сделан из прочного конструкционного материала; внутри через каналы взаимосвязанной сосудистой сети течет жидкость. Это жидкость выполняет множество функций: охлаждает или нагревает материал, реагируя на окружающую среду.

«Есть желание создать структуры, похожие на живые, чтобы они функционировали в течение значительно большего времени, чем это происходит сейчас». «У деревьев есть сети, по которым против силы тяжести переносится вода с минералами из земли и синтезированные питательные вещества от листьев к остальным частям дерева. Жидкости текут в разных направлениях, регулируя температуру, способствуя росту и восстанавливая ткани на протяжении всей жизни дерева».

Ранее, чтобы создать такие материалы, требовались высокотемпературная печь, вакуум и, по крайней мере, один день. Длительный производственный цикл включал отверждение с последующим сжиганием или испарением специальной формы, чтобы после этого остались только полые сосудистые сети. Чем сложнее сосудистая сеть, тем дольше идет процесс.

Чтобы изготовить разветвленный сосудистый материал, решили использовать комбинацию форма-шаблон, где фронтальная полимеризация - реакция термодиффузии - образует и распределяет тепло одновременно на два различных химических процесса. В ходе полимеризации, когда форма затвердевает, избыточное тепло разрушает (деполимеризирует) внутренний наполнитель, создавая готовые полые сосуды. Это означает, что два этапа объединяются в один, и сложные сосудистые сети создаются быстрее.

Самовосстанавливающиеся материалы будут полезны, чтобы сохранить прочность конструкционных элементов при эксплуатации небоскребов, самолетов и даже космических кораблей. Технология может быт доступна для коммерческого использования через 5-10 лет, хотя для этого есть всё необходимое уже сейчас.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23054-7

Источник: Beckman Institute for Advanced Science and Technology