(Phys.org) — Quando una gamba di una sedia si rompe o un cellulare si rompe, o deve essere riparato o sostituito. Ma cosa accadrebbe se questi materiali potessero essere programmati per rigenerarsi da soli, reintegrare i componenti danneggiati o mancanti, e quindi prolungare la loro durata e ridurre la necessità di costose riparazioni?

Quel potenziale è ora possibile secondo i ricercatori dell'Università di Pittsburgh Swanson School of Engineering, che hanno sviluppato modelli computazionali per progettare un nuovo gel polimerico che consentirebbe ai materiali complessi di rigenerarsi. L'articolo, "Sfruttare i nanorodi interfaccialmente attivi per rigenerare i gel polimerici recisi", è stato pubblicato il 19 novembre sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .

L'investigatore principale è Anna C. Balazs, dottorato di ricerca, il Distinguished Robert v. d. della Swanson School. Luft Professor di ingegneria chimica e petrolifera, e coautori sono Xin Yong, dottorato di ricerca, collaboratore post-dottorato, chi è l'autore principale dell'articolo; Olga Kuksenok, dottorato di ricerca, professore associato di ricerca; e Krzysztof Matyjaszewski, dottorato di ricerca, Professore di Scienze Naturali della J.C. Warner University, dipartimento di chimica della Carnegie Mellon University.

"Questo è uno dei santi graal della scienza dei materiali, " ha osservato il dottor Balazs. "Mentre altri hanno sviluppato materiali in grado di riparare piccoli difetti, non esistono ricerche pubblicate su sistemi in grado di rigenerare sezioni sfuse di un materiale reciso. Questo ha un enorme impatto sulla sostenibilità perché potresti potenzialmente prolungare la durata di un materiale dandogli la capacità di ricrescere quando danneggiato".

Il team di ricerca si è ispirato ai processi biologici in specie come anfibi, che può rigenerare gli arti recisi. Questo tipo di rigenerazione dei tessuti è guidato da tre serie di istruzioni critiche:iniziazione, propagazione, e terminazione - che il dottor Balazs descrive come una "bella cascata dinamica" di eventi biologici.

"Quando abbiamo esaminato i processi biologici alla base della rigenerazione dei tessuti negli anfibi, abbiamo considerato come replicare quella cascata dinamica all'interno di un materiale sintetico, " Il dottor Balazs ha detto. "Avevamo bisogno di sviluppare un sistema che per prima cosa rilevasse la rimozione del materiale e avviasse la ricrescita, quindi propagare quella crescita fino a quando il materiale ha raggiunto la dimensione desiderata e quindi, auto-terminare il processo".

"La nostra sfida più grande è stata quella di affrontare il problema del trasporto all'interno di un materiale sintetico, " Ha detto il dottor Balazs. "Gli organismi biologici hanno sistemi circolatori per ottenere il trasporto di massa di materiali come le cellule del sangue, nutrienti e materiale genetico. I materiali sintetici non possiedono intrinsecamente un tale sistema, quindi avevamo bisogno di qualcosa che agisse come un sensore per avviare e controllare il processo".

Il team ha sviluppato un materiale ibrido di nanobarre incorporate in un gel polimerico, che è circondato da una soluzione contenente monomeri e reticolanti (molecole che legano una catena polimerica all'altra) per replicare la cascata dinamica. Quando parte del gel viene recisa, i nanorod vicino al taglio fungono da sensori e migrano alla nuova interfaccia. Le catene funzionalizzate o "gonne" su un'estremità di questi nanorod li mantengono localizzati all'interfaccia e i siti (o "iniziatori") lungo la superficie dell'asta innescano una reazione di polimerizzazione con il monomero e i reticolanti nella soluzione esterna. Dott. Yong e Kuksenok hanno sviluppato i modelli computazionali, e quindi stabilito linee guida per controllare il processo in modo che il nuovo gel si comporti e appaia come il gel che ha sostituito, e per terminare la reazione in modo che il materiale non crescesse fuori controllo.

Dott. Balaz, Kuksenok e Yong danno credito anche a Krzysztof Matyjaszewski, che hanno contribuito alla comprensione della chimica alla base del processo di polimerizzazione. "La nostra collaborazione con il prof. Matyjaszewski è stata eccezionalmente preziosa perché ci ha permesso di tenere conto con precisione di tutte le complesse reazioni chimiche coinvolte nei processi di rigenerazione", ha affermato il dott. Kuksenok.

"La parte più bella ma impegnativa è stata progettare i nanotubi per svolgere più ruoli, " ha detto il dottor Yong. "In effetti, forniscono il veicolo perfetto per innescare una cascata dinamica sintetica." Le nanobarre hanno uno spessore di circa dieci nanometri, circa 10, 000 volte più piccolo del diametro di un capello umano.

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di migliorare il processo e rafforzare i legami tra i gel vecchi e quelli appena formati, e per questo si sono ispirati ad un'altra metafora della natura, la sequoia gigante. "Un albero di sequoia avrà un apparato radicale poco profondo, ma quando crescono di numero, i sistemi radicali si intrecciano per fornire supporto e contribuire alla loro straordinaria crescita, "Spiega il dottor Balazs. Allo stesso modo, le minigonne sui nanorod possono fornire ulteriore resistenza al materiale rigenerato.

La prossima generazione di ricerca ottimizzerebbe ulteriormente il processo per far crescere più livelli, creando materiali più complessi con molteplici funzioni.