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 способны самовосстанавливаться и самоохлаждаться.

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications [1], описан метод, который сокращает время производства трубчатых материалов от двух дней до примерно двух минут. Они 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 может выполнять множество функций: охлаждать или нагревать материал, реагируя на экстремальные условия окружающей среды.

«Есть желание создать структуры, похожие на живые, чтобы они функционировали в течение значительно более длительного времени, чем это происходит при существующих технологиях». «У деревьев есть сети, по которым транспортируются минералы и вода из земли против силы тяжести и синтезированные питательные вещества от листьев к остальным частям дерева. Жидкости текут в обоих направлениях, регулируя температуру, способствуя росту и восстановлению тканей на протяжении всего жизненного цикла дерева».

Ранее, чтобы создать такие материалы, требовались высокотемпературная печь, вакуум и, по крайней мере, один день времени. 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 длиннее процесс.

Для изготовления разветвленного сосудистого материала возникла идея использовать систему форма-шаблон, в которой протекает фронтальная полимеризация - реакция термодиффузии, где образуется и распределяется тепло при одновременном протекании двух различных химических процессов. В ходе реакции полимеризации при затвердевании формы избыточное тепло одновременно направляется на разрушение (деполимеризацию) внутреннего наполнителя, создавая готовые полые сосуды. Это означает, что два этапа объединяются в один, создавая более сложные сосудистые сети за короткое время.

Самовосстанавливающиеся материалы будут полезны, чтобы сохранять прочность конструктивных 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