Ученые разработали самовосстанавливающийся полимерный материал, который не только полностью устраняет место слома или разрыва, но и возвращает себе свои первоначальные механические свойства. Новинка может найти самое широкое применение как в сфере индустриальных приложений, так и в быту.
Автором новой разработки является Людвик Либлер, специалист в области полимерных материалов из Высшего химического колледжа в Париже. Его полимер может восстанавливать поврежденные участки без дополнительного нагревания или приложения физической силы. Статья об удивительном материале опубликована в последнем номере Nature.
Все, что нужно сделать, – это соединить разорванные или сломанные участки полимера вместе и немного сжать.
Как отмечает сам автор разработки, трудно охватить весь спектр приложений данного материала, так он может быть использован для производства бесшовной обуви, самостоятельно «ремонтирующей» дырки, для производства ремней передач, для различных бытовых изделий из резины и так далее. Кроме того, он заметил, что внедрение этого материла может привести к разработке принципиально новых продуктов и привел пример резинового пакета, который может быть разорван для того, чтобы положить в него вещи или достать, а потом снова «сшит», так что вы сможете не опасаться, что в процессе транспортировки из него что-нибудь вывалится. Так что замки-молнии могут в скором времени отправиться на заслуженную пенсию.
Для получения нового материала Либлеру потребовалось изменить природу химической связи между молекулами полимера. Известно, что обычные полимеры, уже давно используемые человеком, образованы переплетением чрезвычайно длинных молекул, которые образуют трехмерную структуру связей. Эти связи могут иметь ковалентную природу, ионную или быть слабыми водородными.
(Н-связь) – особый тип взаимодействия между реакционно-способными группами, при этом одна из групп содержит атом водорода, склонный к такому взаимодействию.
В отличие от обычных химических связей, Н-связь появляется не в результате целенаправленного синтеза, а возникает в подходящих условиях сама и проявляется в виде межмолекулярных или внутримолекулярных взаимодействий.
Отличительная черта водородной связи – сравнительно низкая прочность, ее энергия в 5–10 раз ниже, чем энергия химической связи. По энергии она занимает промежуточное положение между химическими связями и Ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, теми, что удерживают молекулы в твердой или жидкой фазе.
В образовании Н-связи определяющую роль играет электроотрицательность участвующих в связи атомов – способность оттягивать на себя электроны химической связи от атома – партнера, участвующего в этой связи. В результате на атоме А с повышенной электроотрицательностью возникает частичный отрицательный заряд d- , а на атоме-партнере – положительный d+, химическая связь при этом поляризуется: Аd-–Нd+.
Возникший частичный положительный заряд на атоме водорода позволяет ему притягивать другую молекулу, также содержащую электроотрицательный элемент, таким образом, основную долю в образование Н-связи вносят электростатические взаимодействия.
В формировании Н-связи участвуют три атома, два электроотрицательных (А и Б) и находящийся между ними атом водорода Н, структура такой связи может быть представлена следующим образом: Б···Нd+–Аd- (водородную связь обычно обозначают точечной линией). Атом А, химически связанный с Н, называют донором протона (лат. donare – дарить, жертвовать), а Б – его акцептором (лат. acceptor – приемщик). Чаще всего истинного «донорства» нет, и Н остается химически связанным с А.
Атомов – доноров А, поставляющих Н для образования Н-связей, не много, практически всего три: N, O и F, в то же время набор атомов-акцепторов Б весьма широк.
Из этих трех типов связи только слабые водородные могут быть заново восстановлены при комнатной температуре после разрыва материала. Обычные материалы, как правило, содержат минимальное количество водородных связей, а потому не могут восстанавливать поврежденные участки без приложения больших усилий и значительного повышения температуры.
Леблер попросту решил отказаться от всех иных типов связи между полимерными молекулами в материале, кроме водородных, а также прибег к использованию более коротких исходных молекул.
Новый материал синтезирован французами из жирных кислот и мочевины, более известной отечественному потребителю под именем «карбамид». Эти материалы не представляют из себя какой либо химической экзотики и технологических изысков и являются дешевыми и доступными. Водородные связи получаются в результате взаимодействия азотосодержащих функциональных групп мочевины с карбоксильными группами жирных кислот. Этот полимер так же эластичен, как и многие другие виды резин, и может увеличиваться в размерах в 5 раз. Эластичность полимера можно пронаблюдать в этом видеоролике.
Стоит отметить, что участки разрыва не могут взаимодействать с другими поверхностями полимера и принимают участие только в восстановительном процессе. Уже через 15 минут после воссоединения материал может без опаски быть растянут вдвое, полное же восстановление свойств происходит через 18 часов. Насколько хорошо он работает, показывает другой видеоролик.
Стоит отметить, что лишенный ковалентных взаимодействий материал в некоторой степени потерял и в механических свойствах по сравнению со своими предшественниками, однако авторы проекта, профинансированного, в частности, французской резинотехнической промышленностью, намерены улучшить свойства прототипа и создать целый ряд материалов, отличающихся широкой гаммой свойств. Кто знает, может быть, вскоре воздушные шарики и изделия №2 перестанут лопаться и рваться в самый неподходящий момент.
