Загар спасет машины от царапин

Новый полиуретан восстанавливает химическую структуру после порезов

Из хитина креветок можно сделать полиуретановое покрытие для металла, царапины на котором, полчаса «позагорав» на солнце, затягиваются сами – как молния на одежде. Судя по всему, ультрафиолет разрушает химические связи между компонентами полимера, и свободные концы молекул с удовольствием находят себе пару на другой стороне разреза.

У смуглых жителей российского юга и обитателей других солнечных стран скоро может появиться ещё один повод почувствовать некоторое превосходство над бледными москвичами, архангелогородцами и прочими шведами. Если изобретение двух американских химиков из Университета Южного Миссисипи найдёт свой путь на рынок, царапины на блестящих ярких автомобилях южан будут затягиваться в несколько раз быстрее, чем отметины на авто жителей унылого Севера.

Марек Урбан и Бисваджит Гош создали полиуретановое покрытие, мелкие царапины на котором под действием ультрафиолетового света затягиваются сами, как молния на брюках.

Описание нового материала опубликовано в последнем номере Science.

Полиуретаны

эластичные синтетические полимеры, свойства которых можно «настраивать», объединяя в длинные полимерные цепи различные пары органических молекул с присоединёнными к ним по краям цепочкам -NCO и -OH – через которые, собственно, и происходит «спаивание». В зависимости от того, какие пары молекул выбрать, свойства этих веществ могут быть самыми разными, потому не стоит удивляться, что полиуретаном может оказаться и строительная пена, и наполнитель для матрасов, и «резиновое» покрытие для металлических поверхностей.

Материал Урбана и Гоша — особый полиуретан. Полиуретаны для покрытия металлических поверхностей вообще оказались лучше, чем резина, которую они поначалу были призваны заменить. У них, к примеру, гораздо лучше сцепление с металлом, потому полиуретановое покрытие не отстаёт от железа, когда не надо (и, увы, не отдирается, даже когда появляется необходимость очистить металлическую поверхность). Длинные полимерные нити, переплетением мириад которых на деле является полиуретановое покрытие, к тому же очень хорошо растягиваются и без каких бы то ни было потерь возвращаются к первоначальному состоянию, что позволяет сгибать металл, не опасаясь, что его защитное покрытие в месте сгиба посыплется, как чешуйки лака.

Однако американские химики пошли дальше. Они создали покрытие, трещины и царапины в котором самостоятельно затягиваются за очень небольшое время — от нескольких минут под сильным облучением яркой ультрафиолетовой лампы до нескольких часов под светом закрытого тяжёлыми тучами солнца.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2644441",
    "incutNum": 2,
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_2957520_i_2"
}

Всевозможные «самозатягивающиеся» материалы учёные предлагали и раньше, однако большинство из них представляли своего рода (микро- и нано-) «филипповские булки», в теле которых вместо изюма располагались крохотные капсулы с затягивающим царапины составом — например, эпоксидной смолой и затвердителем. Если разрезать такое покрытие (по-научному его называют гетероматериалом), смола и затвердитель выльются из порвавшихся капсул, вступят в реакцию и сцементируют края разреза. Были и другие схемы — например, сеть микрокапилляров, по которым циркулирует или в которых просто хранится склеивающий материал.

Полиуретан Урбана и Гоша в отличие от почти всех предыдущих разработок работает на молекулярном уровне: при ультрафиолетовом облучении восстанавливаются химические связи между самими молекулами вещества.

Чтобы создать такую структуру, учёные воспользовались хитозаном — полисахаридом, который получают из хитина креветок и прочих ракообразных отъёмом ацетиловых групп у образующих этот важный биологических полимер шестичленных «колечек» глюкозы. Учёные далее модифицировали эту производную хитина присоединением оксетана — четырёхчленного «ромбика» из трёх атомов углерода и одного кислорода — к каждому из образующих хитозан мономеров. На втором шаге реакции хитозан с оксетановыми ромбиками встраивается в структуру выбранного учёными полимера на основе гексаметилендиизоцианата и полиэтиленгликоля.

Если попытаться представить себе получившиеся молекулы, получатся длинные эластичные цепочки полиуретана, с боков которых свисает полученная на первом шаге производная хитозана с торчащими в разные стороны ромбиками оксетанов, на обращённом наружу острие которых красуется молекула кислорода. Получив не такую уж и сложную по химическим меркам конструкцию, учёные принялись испытывать материал.

Под микроскопом химики увидели, как

царапина шириной примерно 10 микронов и глубиной около 50 микронов под светом 120-ваттной ультрафиолетовой лампы полностью затянулась за полчаса.

Как раз такие царапины, вполне различимые невооружённым глазом, — главная причина того, что покрытия металлов со временем теряют глянец.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 3,
    "picsrc": "Самозатягивание царапины шириной около 10 микрон и глубиной около 50 микрон за полчаса. Внизу – микроснимки в видимом свете, наверху – в инфракрасном диапазоне. // Marek Urban/AAAS/Science",
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_2957520_i_3"
}

Контрольные эксперименты показали, что ни исходный полимер, ни полиуретан с хитозаном без оксетановых ромбиков на такое самозатягивание не способны. Так что именно оксетан играет ключевую роль в появлении этого свойства.

Как именно оксетан затягивает разрыв и какую роль при этом играет ультрафиолетовое облучение — учёные сказать пока не могут. Они смогли показать лишь, что ультрафиолетовое излучение разрывает химические связи, которыми производная хитозана прикрепляется к основной полиуретановой «матрице». По их мнению, возникающие при этом свободные химически активные «концы», которыми полиуретан прежде прикреплялся к хитозану, реагируют с концами порванных ромбиков оксетана, который повреждается при разрезах.

Если механизм окажется именно таким, каким его предполагают Урбан и Гош, то их материал всё-таки будет деградировать со временем: новые химические связи возникают не там, где были до разрыва. Таким образом, со временем способность к затягиванию царапин будет снижаться. Этот вопрос требует дополнительных исследований, которые учёным лишь предстоит провести, как предстоит им выяснить, и насколько хорошо и за какое время затягиваются более крупные порезы.

Впрочем, вряд ли стоит ждать, что самозатягивающийся материал уже завтра начнут наносить подряд на все металлические поверхности. В статье американских химиков не указывается, в каком диапазоне температур работает их полиуретан, насколько эластичным он является, насколько он прозрачен и какого он цвета, устойчив ли он к воде и соли и сколько стоит его получение.