Immagina di essere un astronauta in una passeggiata spaziale. Stai facendo il tuo lavoro quando all'improvviso ricevi un avviso:la tua tuta perde ossigeno. Da qualche parte c'è un buco nel tuo vestito, un buco così piccolo che non riesci a trovarlo.

Alcuni materiali non dovrebbero rompersi perché i risultati sarebbero catastrofici. E se invece di rompere, questi materiali potrebbero indurirsi in un punto debole? E se quel buco nella tua tuta da astronauta potesse guarire da solo?

I sistemi biologici gestiscono sempre questo problema. A volte le dita hanno calli per non tagliarsi. I calli si formano quando lo stress ripetuto fa indurire la pelle. La pelle dura fornisce resistenza alla rottura. Ma a volte le dita si tagliano e la pelle si ricompone formando una crosta in superficie.

"Come fa il dispositivo a sapere cosa far ricrescere e riparare?" chiede Rebecca Schulman della Johns Hopkins University. "È possibile evitare del tutto il problema dell'autoguarigione?" Quest'ultima domanda è la stessa cosa che chiede la pelle:devi formare un callo o una crosta?

Il futuro della scienza dei materiali copre una vasta gamma di applicazioni:batterie che si autoriparano, turbine eoliche sufficientemente robuste da resistere alle forze estreme sottoposte a loro, o dispositivi di lunga durata che richiedono solo la sostituzione di piccole parti ogni tanto. Prima di arrivare a queste applicazioni, queste domande di scienza di base devono essere risolte. Queste domande sono una delle ragioni per cui il Dipartimento dell'Energia (DOE) sostiene la ricerca in questo settore nelle università e nei laboratori nazionali in tutto il paese.

Prendi una centrale nucleare. I materiali da costruzione attorno al nocciolo del reattore devono resistere al calore estremo e alle radiazioni estreme. Se i materiali da costruzione intorno alle centrali elettriche potrebbero reagire e correggersi da soli quando si verificano temperature elevate o radiazioni, quindi potrebbero riparare il danno prima che diventi un problema.

"I materiali sono al centro dell'aiutarci a gestire il nostro consumo energetico e rendere le cose sostenibili, " ha affermato Michael Strano del Massachusetts Institute of Technology (MIT), che guida uno sforzo del DOE al MIT sui materiali autorigeneranti che utilizzano l'anidride carbonica atmosferica.

Prevenire la necessità di sostituire completamente i materiali è auspicabile non solo dal punto di vista dell'efficienza dei costi, ma anche dal punto di vista della sostenibilità. "Come scienza, vogliamo realizzare materiali migliori e cose migliori, ", ha affermato Tomonori Saito dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del DOE.

Materiali migliori significano meno sprechi e meno necessità di sostituire gli articoli rotti e defunti. La difficoltà arriva quando si cerca di fare sinteticamente ciò che fa la natura senza pensare. Generalmente, ci sono due modi per affrontare questo problema:rendere i materiali resistenti in modo che non si rompano, o creare materiali che si rimarginano da soli quando si rompono.

Prevenire la rottura

Un approccio è che i materiali reagiscano a un fattore di stress costante nell'ambiente. Supponiamo che tu stia picchiettando ripetutamente sul vetro di una finestra con un martello. E se il vetro "sapesse" di diventare più forte prima di rompersi? Lo stesso tipo di processo potrebbe essere applicato ad aree di materiali flessibili, come le ginocchia dei tuoi jeans. Quando si verifica lo stress ripetuto, come piegare le ginocchia quando si cammina, il materiale si ispessisce attorno all'articolazione e si rinforza. Questo processo inizia esaminando i meccanismi autocorrettivi e protettivi presenti nel mondo naturale.

"Quando i biologi o i biofisici comprendono la scala molecolare [del sistema], lo vediamo e pensiamo, "Oh, è fantastico. Possiamo progettare un sistema sintetico?", ha detto Zhibin Guan dell'Università della California, Irvine.

La scala chimica o cellulare racconta una storia vibrante sul processo di correzione dei sistemi e, A volte, proteggendosi.

"In biologia, molti sistemi hanno una connessione gradiente dai tessuti duri ai tessuti molli. L'interfaccia da hard a soft è fondamentale, " ha detto Guan. Senza la corretta interfaccia di gradiente tra i diversi tipi di tessuto, grandi forze esterne potrebbero portare a un'interruzione della connessione. Il modo in cui un sistema si adatta e risponde a una forza esterna produce questo contatto protettivo tra i tessuti duri e molli.

Lo studio di Guan è stato ispirato dalla dura pelle esterna di un verme polichete. La mascella del verme ha una pelle particolarmente dura. La transizione dal corpo morbido del verme alla dura pelle esterna ha incuriosito il gruppo di ricerca di Guan. L'interfaccia dura si verifica aumentando il legame chimico tra proteine ​​​​e ioni metallici nella mascella del verme. Utilizzando il legame selettivo, la mascella si indurisce, rendendola in grado di resistere alla forza di un morso.

Guan studia questa interfaccia tra tessuti duri e molli per replicarla in materiali sintetici. Nel laboratorio, prendono polimeri costituiti da lunghi, ripetere strutture chimiche e introdurre ioni metallici per simulare la composizione della mascella del verme. Se il materiale potesse rilevare l'area indebolita e reagire chimicamente ad essa, rafforzando il punto della debolezza, il materiale non si sarebbe rotto.

All'inizio, il punto indebolito si forma quando si verifica un microdanno. Sia nella mascella del verme che nei materiali sintetici, questo danno avviene a livello molecolare. Lo stress provoca la rottura di piccoli legami tra gli ioni metallici e le proteine. Questi legami, tenue per cominciare, a volte riforma.

La difficoltà arriva quando si cerca di trovare la giusta via di mezzo tra abbastanza duro da non rompersi ma non così duro da rendere il materiale inflessibile. Se il materiale continua a indurirsi a causa dello stress, alla fine arriverà al punto in cui è completamente rigido. Quindi sarà incline al fallimento per un motivo diverso.

Idealmente, i materiali duri invertirebbero periodicamente questo processo di ispessimento per evitare che la rigidità diventi permanente. Comprendere la chimica alla base dei processi biologici è la chiave per segnalare quando un materiale potrebbe rilassarsi. Per allora, la minaccia di un fallimento catastrofico sarebbe passata. Il materiale potrebbe reagire di nuovo quando un altro fattore di stress colpisce il sistema.

Però, come ha notato Schulman, ci sono diverse domande a cui rispondere prima di arrivare a quel punto. Ottenere un materiale per rispondere allo stress è difficile anche in laboratorio. Mentre i sistemi biologici dispongono di metodi per comunicare i danni, la segnalazione chimica nei sistemi sintetici è più difficile che nei sistemi viventi. I sistemi viventi hanno intere strutture organizzate dedicate alla segnalazione. I materiali sintetici sono spesso costituiti da uno o pochi tipi di unità chimiche senza un modo integrato per innescare questo indurimento. Quindi il secondo approccio prevede la realizzazione di materiali che guariscono le rotture quando si verificano.

Riparare una pausa

Un fallimento catastrofico non deve essere grande e drammatico per causare seri problemi. Prendi l'esempio della tuta spaziale. Una piccola rottura nel materiale della tuta può essere catastrofica per l'astronauta; rendere la tuta in grado di autoguarirsi rappresenta una possibile soluzione.

Cosa rende esattamente un materiale autorigenerante? Come il modo in cui la pelle guarisce da sola, questi materiali usano proprietà chimiche per "guarirsi".

Nei materiali sintetici, l'autoguarigione implica la riparazione. I legami chimici devono potersi riformare, soprattutto dopo catastrofici fallimenti. Una volta che il danno provoca il cedimento del materiale, dovrebbe essere in grado di ricucirsi proprio come fa una ferita sulla pelle.

Questo tipo di riparazione avviene a livello molecolare. La ricerca di Saito si concentra sullo sviluppo di romanzi, polimeri autorigeneranti e con l'obiettivo di comprendere questa risposta chimica. Saito prende un foglio di un polimero appositamente preparato e lo fa a pezzi. A livello chimico, questi polimeri lavorano per riformare i legami e ricucirsi insieme. La chiave è capire l'innesco chimico che dice loro di ricucirsi insieme.

Per usarla sinteticamente, Schulman trae ispirazione dalle cellule. "Le cellule comunicano ciò che deve essere in una particolare posizione, " ha detto. "Usano la segnalazione wireless attraverso i prodotti chimici."

Tradurre questa reazione a livello di sistema in un materiale sintetico è stato impegnativo. Mentre nei sistemi biologici un'intera rete di segnali reagisce alle interruzioni, un polimero sintetico è solitamente costituito da pochi componenti. Il modo in cui il materiale potrebbe comunicare ai componenti chimici per ricucirsi è una proposta particolarmente difficile. Il materiale dovrebbe rilevare danni o rotture e reagire di conseguenza.

Schulman ha notato che i materiali sintetici non hanno la resilienza dei sistemi biologici. Quando un pezzo fallisce, l'intero sistema spesso fallisce. "Le cellule potrebbero vivere la vita dell'organismo, ma le proteine ​​girano molte volte all'interno della cellula, " lei disse.

Mentre la scienza dei materiali che si concentra sull'autoguarigione si avvicina a quel livello chimico estremo, il quadro più ampio mostra le applicazioni dei materiali autorigeneranti e il modo in cui queste cose possono cambiare anche le idee fondamentali su come funziona l'infrastruttura.

A Strano piace confrontare le possibilità dei materiali autorigeneranti con il modo in cui cresce un tronco d'albero. Gli alberi respirano anidride carbonica e sostanze nutritive dal suolo e li usano per costruire il tronco. Tirando i loro materiali da costruzione dall'aria, hanno accesso costante.

"Il materiale può diventare più forte nel tempo, " disse Strano. Quando i materiali sono circondati dai loro materiali da costruzione, non ci può essere limite a quanto tempo possono durare.