Contenitori anticorrosione richiudibili:le capsule si aprono quando si riducono e gli ioni potassio migrano nel guscio polimerico. Non appena la corrosione si ferma, il polimero è ossidato, le capsule si chiudono e rilasciano nuovamente ioni potassio.
A breve potrebbe essere disponibile un rimedio particolarmente ingegnoso per il problema della ruggine. Gli scienziati del Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH di Düsseldorf e del Max Planck Institute for Polymer Research di Magonza sono riusciti a fare due enormi passi avanti verso lo sviluppo di un rivestimento anticorrosivo autorigenerante. In uno studio, hanno incorporato alcune capsule polimeriche da 100 nanometri contenenti carichi utili anticorrosione in un rivestimento. Hanno applicato il rivestimento a un metallo ed hanno esposto il metallo alla corrosione attraverso una fessura nel rivestimento. Allora, le capsule si aprivano e rilasciavano i carichi protettivi. Appena terminato l'attacco corrosivo, i contenitori si richiusero. Nel secondo studio, i ricercatori hanno incapsulato sostanze in nanocontenitori che possono guarire piccole crepe e buchi nel rivestimento protettivo in metallo. I ricercatori hanno quindi dimostrato che i contenitori sono stati alterati chimicamente e hanno rilasciato i carichi utili per la guarigione quando è iniziato il processo di corrosione. I contenitori si sono poi richiusi al termine dell'attacco corrosivo.
La pelle umana e animale è esemplare sotto molti aspetti. Gli scienziati dei materiali sono impressionati soprattutto dal modo in cui si rimargina quando viene danneggiato. Vorrebbero dotare i rivestimenti anticorrosivi di questa capacità, in modo che crepe sottili e piccoli fori nei rivestimenti non rappresentino un disastro a breve o lungo termine per il metallo sottostante. "Abbiamo compiuto due passi avanti nella ricerca di una protezione intelligente contro la corrosione, " riferisce Michael Rohwerder, Responsabile di un gruppo di ricerca presso il Max-Planck-Institut für Eisenforschung.
Insieme ai loro colleghi del Max Planck Institute for Polymer Research, i ricercatori di Düsseldorf hanno testato capsule realizzate con il polimero conduttivo polianilina come contenitori per sostanze anticorrosive. Avevano decorato le nanocapsule con nanoparticelle metalliche per generare un contatto elettrico adeguato tra i contenitori e il metallo a cui hanno applicato le capsule come componenti di un rivestimento. A causa di un difetto nel rivestimento protettivo, hanno esposto il metallo alla corrosione facendo gocciolare una goccia di acqua salata sull'apertura del rivestimento protettivo. L'attacco corrosivo, però, non ha avuto effetto, man mano che le pareti delle capsule polimeriche diventavano porose, lasciando fuoriuscire le sostanze in essi contenute, che poi ha bloccato il processo di riduzione dell'ossigeno.
Il potenziale elettrochimico è la chiave più affidabile per aprire le capsule
"Ciò che è cruciale qui è selezionare il segnale corretto per l'apertura della parete della capsula, " dice Michael Rohwerder. Le capsule possono quindi essere aperte in modo puramente meccanico quando il rivestimento protettivo viene graffiato. Oppure possono reagire a un aumento del valore del pH, che possono accompagnare il processo di corrosione. Però, il team di Max Planck ha scelto di sfruttare il potenziale elettrochimico come apricapsule che ha perforato la copertura di polianilina attraverso un processo di conversione chimica. "Questo potenziale cade sempre quando inizia la corrosione, " spiega Rohwerder. "Quindi fornisce il segnale più affidabile per l'apertura delle capsule". è necessario un contatto elettrico affinché le capsule riconoscano anche l'allarme elettrochimico. Ciò è fornito dalle nanoparticelle metalliche tra la parete della capsula e il metallo. Le capsule rilevano quando la corrosione si è fermata attraverso lo stesso canale informativo, poiché il potenziale aumenta costantemente a questo punto. La parete della capsula quindi si ristruttura e i pori vengono risigillati.
I nanocontenitori che contengono carichi utili anticorrosione possono essere incorporati nei rivestimenti metallici. Rilasciano sostanze quando il rivestimento è danneggiato e il metallo viene attaccato dalla corrosione. I chimici di Max Planck hanno sintetizzato le capsule in polimero conduttivo mediante la tecnica della miniemulsione. Quindi decorano i contenitori con nanoparticelle metalliche in modo che queste percepiscano il potenziale elettrochimico all'inizio del processo di corrosione e si aprano chimicamente. Non appena la corrosione cessa, le capsule si richiudono. I ricercatori hanno anche incluso sostanze che guariscono i difetti nel rivestimento protettivo in tali capsule.
I contenitori, in cui i ricercatori hanno racchiuso i carichi utili che possono essere utilizzati per formare una pelle polimerica. Questi carichi utili possono polimerizzare in un difetto e sigillare la fessura o il foro. Però, in questo studio gli scienziati non hanno applicato le capsule a un metallo utilizzando un rivestimento per verificarne la corrosione. Hanno replicato le condizioni chimiche che esistono all'inizio e alla fine del processo di corrosione con sostanze riducenti e ossidanti e hanno aperto o chiuso le capsule in questo modo. "Siamo stati in grado di ripetere questo processo redox con le capsule di polianilina oltre 80 volte, "dice Daniel Crespy, un leader del gruppo di ricerca presso il Max Planck Institute for Polymer Research, che ha curato lo studio.
I fluidi oleosi possono essere incapsulati in una miniemulsione
Il fatto che le sostanze curative possano essere incapsulate in modo mirato è di particolare interesse dal punto di vista del chimico. Ciò è reso possibile da una tecnica sviluppata dai ricercatori che lavorano con Katharina Landfester presso il Max Planck Institute for Polymer Research di Mainz. Producono un'emulsione da una soluzione acquosa, in cui galleggiano gocce d'olio. Un processo che funziona solo in misura limitata con il latte – dopo un po' la panna si accumula sulla superficie – è stato perfezionato dai chimici. Nella loro miniemulsione, non solo le gocce d'olio sono ugualmente piccole, ma restano, grazie ad alcuni trucchi chimici, quasi completamente stabile.
Prima che Daniel Crespy e i suoi colleghi emulsionassero finemente il fluido oleoso nella soluzione acquosa mescolandolo e usando gli ultrasuoni, aggiungono i componenti per le capsule polimeriche ad esso. I componenti reagiscono per produrre molecole a catena lunga solo quando i chimici versano un altro ingrediente chimico nell'emulsione preparata, che si scioglie in acqua e innesca la polimerizzazione proprio sulla superficie delle gocce d'olio. "Ecco come possiamo incapsulare fluidi oleosi in un ambiente acquoso, " dice Daniel Crespy. Tuttavia, nonostante sembri una ricetta semplice, i dettagli più fini del processo sono in realtà molto difficili da implementare. Durante la polimerizzazione, l'ambiente chimico dell'emulsione cambia così che le gocce di olio tendono ad aggregarsi e normalmente si accumulerebbero sopra l'acqua. "Ma abbiamo trovato un modo per stabilizzare l'emulsione, "dice Crespi.
Le sostanze anticorrosive devono essere rese più efficaci
Inoltre, non è esattamente facile dimostrare che le capsule rilasciano il rimedio per sanare i difetti di un rivestimento solo quando necessario. A tal fine, i ricercatori di Mainz hanno dovuto isolare le capsule dopo ogni passaggio, spostarli con solventi adatti ed esaminarli con l'aiuto della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, che forniva informazioni sui volumi delle sostanze contenute nelle capsule.
Nei due recenti studi, il team di ricercatori di Düsseldorf e Mainz ha dotato le nanocapsule di alcune delle funzioni che un rivestimento anticorrosivo autorigenerante dovrebbe fornire. "Vogliamo ora racchiudere nelle stesse capsule le sostanze curative e le sostanze anticorrosive, "dice Crespi, poiché solo entrambe le sostanze combinate possono fornire una protezione completa contro la distruzione causata dalla ruggine. Considerando che le sostanze anticorrosive arginano rapidamente la corrosione, come l'arresto iniziale del flusso sanguigno in caso di lesioni, le sostanze cicatrizzanti ripristinano il duraturo effetto anticorrosivo del rivestimento. Però, come una ferita che guarisce, hanno bisogno di più tempo per fare il loro lavoro. "Fino ad ora, non è stato possibile incapsulare entrambe le sostanze nelle stesse condizioni chimiche, " dice Daniel Crespy. Questo è ciò che lui e i suoi colleghi vorrebbero ottenere.
Michael Rohwerder ha anche identificato due ulteriori sfide che devono ancora essere superate prima che il sistema anticorrosivo autorigenerante sia completo. "Primo, dobbiamo identificare sostanze inibitorie che siano altrettanto efficaci, Per esempio, come cromati, ", afferma lo scienziato. Al momento, i cromati fissano ancora lo standard in termini di rivestimenti anticorrosivi; tuttavia, sono vietati in un numero crescente di applicazioni a causa della loro tossicità. "Secondo, dobbiamo fare in modo che le sostanze cicatrizzanti raggiungano un difetto più velocemente e in quantità maggiori, " dice Rohwerder. Fino ad ora, sono stati trattenuti dal fatto che sono poco solubili in acqua; corrosione, però, si verifica solo quando un difetto è esposto all'acqua. Se i ricercatori riescono a fare progressi su questi temi, è del tutto possibile che i rivestimenti metallici saranno uguali alla pelle vivente quando si tratta di poteri di auto-guarigione.
