Föreställ dig ett däck som kunde läka efter att ha blivit punkterat eller ett gummiband som aldrig gick av.

Forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat en ny typ av gummi som är lika segt som naturgummi men som också kan självläka.

Forskningen är publicerad i Avancerade material .

Självläkande material är inte nytt – forskare på SEAS har utvecklat självläkande hydrogeler, som är beroende av vatten för att införliva reversibla bindningar som kan främja läkning. Dock, tekniska självläkande egenskaper i torra material – som gummi – har visat sig vara mer utmanande. Det beror på att gummi är tillverkat av polymerer som ofta är förbundna med permanenta, kovalenta bindningar. Även om dessa band är otroligt starka, de kommer aldrig att återansluta när de är brutna.

För att göra ett gummi självläkande, laget behövde för att göra bindningarna som förbinder polymererna reversibla, så att banden kunde brytas och reformeras.

"Tidigare forskning använde reversibla vätebindningar för att koppla ihop polymerer för att bilda ett gummi men reversibla bindningar är i sig svagare än kovalenta bindningar, sa Li-Heng Cai, en postdoktor vid SEAS och motsvarande författare till uppsatsen. "Detta väckte frågan, kan vi göra något svårt men kan fortfarande självläka?"

Cai, tillsammans med Jinrong Wu, en gästprofessor från Sichuans universitet, Kina, och seniorförfattaren David A. Weitz, Mallinckrodt professor i fysik och tillämpad fysik, utvecklat ett hybridgummi med både kovalenta och reversibla bindningar.

Konceptet att blanda både kovalenta och reversibla bindningar för att göra en tuff, självläkande gummi föreslogs i teorin av Cai men visades aldrig experimentellt eftersom kovalenta och reversibla bindningar inte gillar att blandas.

"Dessa två typer av bindningar är i sig inte blandbara, som olja och vatten, " sa Cai.

Så, forskarna utvecklade ett molekylärt rep för att binda samman dessa två typer av bindningar. Detta rep, kallas slumpmässigt grenade polymerer, tillåter två tidigare oblandbara bindningar att blandas homogent i molekylär skala. Genom att göra så, de kunde skapa en transparent, tuff, självläkande gummi.

Typiskt gummi tenderar att spricka vid en viss spänningspunkt när kraft appliceras. När det sträcks, hybridgummi utvecklar så kallade crazes i hela materialet, en egenskap som liknar sprickor men sammankopplade med fibrösa trådar. Dessa vurm omfördelar stressen, så det finns ingen lokaliserad stresspunkt som kan orsaka katastrofala misslyckanden. När stressen släpper, materialet snäpper tillbaka till sin ursprungliga form och vurmheterna läker.

Harvards Office of Technology Development har lämnat in en patentansökan för tekniken och söker aktivt kommersialiseringsmöjligheter.

Den självläkande förmågan är tilltalande för en mängd olika gummiprodukter.

"Föreställ dig att vi skulle kunna använda det här materialet som en av komponenterna för att göra ett gummidäck, " sa Wu. "Om du har ett snitt genom däcket, detta däck skulle inte behöva bytas ut direkt. Istället, det skulle självläka när du kör tillräckligt mycket för att ge dig utrymme för att undvika dramatiska skador."

"Det finns fortfarande mycket mer att göra, " sade Weitz. "För materialvetenskap, det är inte helt förstått varför detta hybridgummi uppvisar crazes när det sträcks. För teknik, applikationerna för hybridgummit som drar fördel av dess exceptionella kombination av optisk transparens, seghet, och självläkande förmåga återstår att utforska. Dessutom, konceptet med att använda molekylär design för att blanda kovalenta och reversibla bindningar för att skapa en homogen hybridelastomer är ganska allmänt och bör möjliggöra utveckling av tuffa, självläkande polymerer av praktisk användning."