Καινοτόμο “γυαλί” ξανακολλάει μόνο του με εφαρμογή πίεσης

Ζωή Καλπαξίδου



Ποιος είπε πώς άμα ραγίσει το γυαλί δεν ξανακολλάει; Σίγουρα όχι οι επιστήμονες από το πανεπιστήμιο του Τόκυο! Πρόσφατη έρευνα αποκαλύπτει την ανάπτυξη ενός είδους γυαλιού το οποίο αφού ραγίσει συγκροτείται ξανά με την εφαρμογή πίεσης.
Self-healing υλικά

Η επιστήμη των υλικών τα τελευταία χρόνια επικεντρώνεται ιδιαίτερα στα λεγόμενα self-healing υλικά. Πρόκειται για καινοτόμα υλικά, που αν εμφανίσουν κάποια μικο-ρωγμή μπορούν να την “επουλώσουν” μόνα τους. Συνήθως, η σύνθεση τέτοιων υλικών περιλαμβάνει διάφορα πολυμερή, δηλαδή υλικά με επαναλαμβανόμενες ομάδες μακρομοριών (μονομερή). Η επούλωση φυσικά βασίζεται στην επανένωση των μονομερών.

Η διαδικασία της “αυτο-επούλωσης” (self-healing) χαρακτηρίζεται είτε ως ενδογενής είτε ως εξωγενής. Στην περίπτωση της εξωγενούς “αυτο-επούλωσης” υπάρχει κάποιο δίκτυο ή κάποιες μικροκάψουλες μέσα στο πολυμερές που εγκλωβίζουν τα μονομερή. Επιπλέον το πολυμερές σε αυτήν την περίπτωση περιλαμβάνει και κάποιους καταλύτες που επιτρέπουν την επανένωση των ρωγμών με χημικό τρόπο. Αντίθετα, στην ενδογενή αυτο-επούλωση, υπάρχουν μηχανισμοί που οδηγούν σε επαναδιάταξη των σπασμένων ομοιοπολικών ή μη ομοιοπολικών δεσμών που συνήθως περιλαμβάνουν την ανάπτυξη δεσμών υδρογόνου. Η ενδογενής διαδικασία μπορεί να πραγματοποιήθει πολλές φορές σε σχέση με την εξωγενή αλλά συνήθως απαιτεί πολύ υψηλές θερμοκρασίες.
Self-healing γυαλί

Τα μη κρυσταλλικά πολυμερή ανάλογα με το μοριακό τους βάρους χαρακτηρίζονται από διαφορετική μηχανική αντοχή. Στα πολυμερή υψηλού μοριακού βάρους, η μηχανική αντοχή είναι υψηλή αλλά η αυτο-επούλωσή τους μετά από κάποια ρωγμή μπορεί να γίνει μόνο με εφαρμογή υψηλής θερμοκρασίας. Δεν συμβαίνει το ίδιο στα πολυμερή χαμηλού μοριακού βάρους όπου σημαντικό ρόλο κατέχουν οι δεσμοί υδρογόνου και η πυκνότητα σύνδεσης των διαφόρων πολυμερικών αλυσίδων.

Η ύπαρξη δεσμών υδρογόνου επηρεάζει σημαντικά τη μηχανική αντοχή. Συγκεκριμένα η ύπαρξη αυτών των δεσμών συνήθως οδηγεί στην κρυσταλλοποιήση του πολυμερούς κάνοντας το εύθραυστο. Παρά την ύπαρξη δεσμών υδρογόνου ανάμεσα στα μονομερή θειουρίας ο Yu Yanagisawa από το πανεπιστήμιο του Τόκυο έφτιαξε ένα self-healing άμορφο υλικό –γυαλί, από το πολυμερές πολυαιθερ-θειουρία που επουλώνεται μόνο του. Το υλικό αυτό εμφανίζεται άμορφο και έχει εξαιρετική μηχανική αντοχή. Επιπλέον,η επούλωση των μικρο-ρωγμών που μπορούν να εμφανιστούν σε αυτό εξαλείφονται με την εφαρμογή πίεσης σε θερμοκρασία δωματίου και όχι με αύξηση της θερμοκρασίας. Περισσότερα σχετικά με το συγκεκριμένο υλικό μπορείτε να διαβάσετε στην αντίστοιχη έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science εδώ.

Εφαρμογές

Δεν είναι η πρώτη φορά που κατασκευάζεται ένα υλικό που ξανακολλάει μόνο του. Είναι όμως η πρώτη φορά που κατασκευάζεται ένα ανθεκτικό υλικό που απαιτεί θερμοκρασία δωματίου για να επουλωθεί μέσα σε λίγο χρόνο,λιγότερο από μια μέρα. Έτσι η μαζική παραγωγή σε ευρεία κλίμακα τέτοιων υλικών μπορεί να έχει μια πληθώρα εφαρμογών.Καταρχάς,τα self-healing υλικά μπορούν να αξιοποιηθούν και στη λεγόμενη μηχανική των ιστών. Συγκεκριμένα, υλικά εξαιρετικής μηχανικής αντοχής που μπορούν να επανα-συγκολληθούν έπειτα από κάποιο ράγισμα σε θερμοκρασία δωματίου μπορούν να αξιοποιηθούν για εμφυτεύματα οστών και δοντιών.

Όσο αναφορά τεχνολογικές εφαρμογές, αναλογιστείτε μόνο την εφαρμογή σε οθόνες κινητών,τάμπλετ, τηλεοράσεων και υπολογιστών. Αυτόματα θα περιοριστεί η διαρκής αντικατάσταση συσκευών όπως του κινητού τηλεφώνου, γιατί πλέον η οθόνη δεν θα ραγίζει. Το γεγονός αυτό πέρα από το οικονομικό όφελος θα ωφελήσει σημαντικά και το περιβάλλον,καθώς χιλιάδες ηλεκτρονικές συσκευές αποσύρονται διαρκώς λόγω ραγισμάτων.

Φαίνεται πώς στο μέλλον η ρήση “Όταν ραγίσει το γυαλί δεν ξανακολλάει” θα πρέπει να αναθεωρηθεί.