Lo sviluppo di materiali autorigeneranti non è una novità per Nancy Sottos, capo dell'Autonomous Materials Systems Group presso il Beckman Institute for Advanced Science and Technology presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign.

Traendo ispirazione dai sistemi circolatori biologici, come i vasi sanguigni o le foglie di un albero, i ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign hanno lavorato allo sviluppo di compositi strutturali vascolarizzati per più di un decennio, creando materiali leggeri e capaci di autoguarigione e auto-raffreddamento.

Ma ora, un team di ricercatori Beckman guidati da Sottos e Mayank Garg, socio di ricerca post-dottorato e autore principale della nuova pubblicazione Comunicazioni sulla natura carta, "Fabbricazione rapida sincronizzata di termoindurenti e compositi vascolarizzati, " hanno ridotto un processo di produzione di due giorni a circa due minuti sfruttando la polimerizzazione frontale di resine prontamente disponibili.

"Negli ultimi anni abbiamo cercato modi per realizzare reti vascolari in materiali ad alte prestazioni, " disse Sottos, che è anche Swanlund Endowed Chair e capo del Department of Materials Science and Engineering dell'Illinois. "Questa è una vera svolta per realizzare reti vascolari in materiali strutturali in un modo che consente di risparmiare molto tempo e risparmiare molta energia".

Garg ha detto che il modo più semplice per comprendere il loro lavoro è immaginare la composizione di una foglia con i suoi canali interni e le sue reti strutturali. Ora, immagina che la foglia sia realizzata con un materiale strutturale resistente; dentro, il fluido scorre attraverso diversi beccucci e canali della sua vascolarizzazione interconnessa. Nel caso dei compositi dei ricercatori, il liquido è capace di una varietà di funzioni, come il raffreddamento o il riscaldamento in risposta ad ambienti estremi.

"Vogliamo creare queste strutture realistiche, ma vogliamo anche che mantengano le loro prestazioni per tempi sostanzialmente più lunghi rispetto all'infrastruttura esistente adottando un approccio che la biologia utilizza ubiquitariamente, " Garg ha detto. "Gli alberi hanno reti per il trasporto di nutrienti e acqua dal suolo contro la gravità e il trasporto di cibo sintetizzato dalla foglia al resto dell'albero. I fluidi scorrono in entrambe le direzioni per regolare la temperatura, coltivare nuovo materiale, e riparare il materiale esistente durante l'intero ciclo di vita dell'albero. Cerchiamo di replicare queste funzioni dinamiche in un sistema non biologico".

Però, la creazione di questi materiali complessi è stata storicamente lunga, processo scoraggiante per l'Autonomous Materials Systems Group. In precedenti ricerche sui materiali autorigeneranti, i ricercatori avevano bisogno di un forno caldo, vuoto, e almeno un giorno per creare i compositi. Il lungo ciclo di produzione prevedeva la polimerizzazione del materiale ospite e successivamente la combustione o la vaporizzazione di un modello sacrificale per lasciare cavità, reti vascolari. Sottos ha detto che quest'ultimo processo può richiedere 24 ore. Più complicata è la rete vascolare, tanto più difficile e dispendioso in termini di tempo è rimuoverlo.

Per creare i materiali host, gli scienziati optano per la polimerizzazione frontale, un sistema di reazione-diffusione termica che utilizza la generazione e la diffusione del calore per promuovere contemporaneamente due diverse reazioni chimiche. Il calore viene creato internamente durante la solidificazione dell'ospite e il calore in eccesso decostruisce un modello incorporato in tandem per produrre il materiale vascolare. Ciò significa che i ricercatori sono in grado di abbreviare il processo combinando due passaggi in uno, creando le reti vascolari e il materiale ospite polimerizzato senza forno. Inoltre, il nuovo processo consente ai ricercatori di avere un maggiore controllo nella creazione delle reti, il che significa che i materiali potrebbero avere una maggiore complessità e funzionalità in futuro.

"Con questa ricerca, abbiamo capito come inserire reti vascolari utilizzando la polimerizzazione frontale per guidare la vascolarizzazione, "Sottos ha detto. "Ora si fa in pochi minuti invece che in giorni, e non dobbiamo metterlo in un forno."

Due processi in uno:la polimerizzazione in tandem e la vascolarizzazione consentono agli scienziati di creare materiali strutturali autorigeneranti in pochi minuti.

I materiali autorigeneranti possono essere utili ovunque siano essenziali materiali resistenti per mantenere la funzione in caso di danni prolungati, come la costruzione di un grattacielo. Ma nel caso dei ricercatori, le applicazioni più probabili sono per gli aerei, astronavi, e persino la Stazione Spaziale Internazionale. Sottos ha spiegato che i materiali prodotti in questo modo potrebbero essere prodotti commercialmente in 5-10 anni, sebbene i ricercatori notino che tutti i materiali e le apparecchiature di elaborazione necessari sono attualmente disponibili in commercio.

Jeff Moore, direttore del Beckman Institute, una cattedra di chimica dotata di Stanley O. Ikenberry, così come Philippe Geubelle, il Professore Bliss di ingegneria aerospaziale e preside associato esecutivo del Grainger College of Engineering, sono stati coinvolti anche nel progetto.

Dal punto di vista computazionale, Geubelle ha spiegato che è stato in grado di catturare la polimerizzazione frontale e il cambiamento di fase endotermica che si verificano negli stampi sacrificali.

"Ci siamo comportati adattivi, transitorio, analisi degli elementi finiti non lineari per studiare questa competizione e determinare le condizioni in cui è possibile ottenere questa polimerizzazione frontale simultanea e vascolarizzazione del gel, " ha detto. "Questa tecnologia porterà a un modo più efficiente dal punto di vista energetico e sostanzialmente più veloce per creare compositi con complesse reti microvascolari".

Grazie alla scoperta interdisciplinare del team, i materiali multifunzionali dinamici sono ora più facili da produrre che mai.

"Questa ricerca è una combinazione di lavoro sperimentale e lavoro computazionale, " Garg ha detto. "Richiede una comunicazione sincronizzata tra i membri del team di varie discipline:chimica, ingegneria, e scienza dei materiali, per rivedere le tradizionali strategie di produzione non sostenibili."

"Non c'è niente di meglio che vedere le idee spuntare da studenti e dottori di ricerca nel gruppo AMS risultanti da interazioni e riunioni di gruppo congiunte, " Moore ha aggiunto. "Il Moore Group ha studiato per anni le reazioni di depolimerizzazione della decompressione della catena. Sono stato felice quando ho appreso che il team di AMS ha riconosciuto come l'energia termica prodotta in una reazione di polimerizzazione in evoluzione del calore potesse essere sincronizzata con la depolimerizzazione che decomprime la catena in un altro materiale allo scopo di fabbricare canali. La prima volta che ho visto i risultati di Mayank, Ho pensato, 'Vorrei aver pensato a quell'idea.'"