Tänk dig att du är en astronaut på en rymdpromenad. Du gör ditt jobb när du plötsligt får en varning:Din kostym läcker syre. Någonstans finns det ett hål i din kostym, ett så litet hål att du inte kan hitta det.

Vissa material ska inte gå sönder eftersom resultaten skulle bli katastrofala. Tänk om istället för att bryta, kan dessa material hårdna på en svag plats? Vad händer om det hålet i din astronautdräkt kan läka sig själv?

Biologiska system hanterar detta problem hela tiden. Ibland får fingrar förhårdnader så att de inte skärs. Kallar bildas när upprepad stress gör att huden hårdnar. Den hårda huden ger motstånd mot brytning. Men ibland blir fingrarna skurna och huden läker sig igen genom att bilda en skorv vid ytan.

"Hur vet enheten vad som ska återväxas och repareras?" frågar Rebecca Schulman från Johns Hopkins University. "Är det möjligt att helt undvika det självläkande problemet?" Den senare frågan är samma sak som huden frågar:Behöver du bilda en förhårdnad eller en skabb?

Framtidens materialvetenskap täcker ett smörgåsbord av applikationer:batterier som självreparerar, vindkraftverk tillräckligt robusta för att klara de extrema krafter som läggs på dem, eller hållbara enheter som bara kräver byte av små delar så ofta. Innan du kommer till dessa applikationer, dessa grundläggande vetenskapliga frågor måste besvaras. Dessa frågor är en anledning till att Department of Energy (DOE) stöder forskning inom detta område vid universitet och nationella laboratorier runt om i landet.

Ta ett kärnkraftverk. Byggmaterialen runt reaktorkärnan måste tåla extrem värme och extrem strålning. Om byggmaterialen runt kraftverk kan reagera och korrigera sig själva när de upplever hög värme eller strålning, då kunde de åtgärda skadan innan det blir ett problem.

"Material är kärnan i att hjälpa oss att hantera vår energiförbrukning och göra saker hållbara, "säger Michael Strano från Massachusetts Institute of Technology (MIT), som leder en DOE-insats vid MIT på självläkande material som använder atmosfärisk koldioxid.

Att förhindra behovet av att helt byta ut material är önskvärt, inte bara ur kostnadseffektivitetssynpunkt, men också ur hållbarhetssynpunkt. "Som en vetenskap, vi vill göra bättre material och bättre saker, "sa Tomonori Saito från DOE:s Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Bättre material innebär mindre avfall och mindre behov av att byta ut trasiga och nedlagda föremål. Svårigheten kommer när man försöker göra syntetiskt vad naturen gör utan att tänka. I allmänhet, det finns två sätt att ta itu med detta problem:göra material hårda så att de inte går sönder, eller göra material som läker sig själva när de går sönder.

Förhindra brott

Ett tillvägagångssätt är att materialen reagerar på en konstant stressor i miljön. Låt oss säga att du upprepade gånger knackar på en fönsterruta med en hammare. Vad händer om glaset "vet" att bli starkare innan det går sönder? Samma typ av process kan tillämpas på områden med flexibla material, som knäna på dina jeans. När den upprepade stressen händer - som att böja knäna när du går - skulle materialet tjockna runt leden och förstärka sig själv. Denna process börjar med att undersöka självkorrigerande och skyddande mekanismer som finns i den naturliga världen.

"När biologer eller biofysiker förstår molekylskalan [i systemet], vi ser det och tänker, "Åh det här är coolt. Kan vi designa ett syntetiskt system?", Säger Zhibin Guan från University of California, Irvine.

Den kemiska eller cellulära skalan berättar en levande historia om processen för system som korrigerar sig själva och, ibland, skydda sig själva.

"Inom biologin, många system har en gradientanslutning från hårda vävnader till mjuka vävnader. Gränssnittet från hårt till mjukt är kritiskt, "sa Guan. Utan det rätta gradientgränssnittet mellan de olika vävnadstyperna, stora yttre krafter kan leda till ett avbrott vid anslutningen. Hur ett system justerar och reagerar på en yttre kraft ger denna skyddande kontakt mellan hårda och mjuka vävnader.

Guans studie inspirerades av den hårda yttre huden på en polychaete mask. Maskens käke har en särskilt hård hud. Övergången från maskens mjuka kropp till den hårda yttre huden fascinerade Guans forskargrupp. Det tuffa gränssnittet sker genom att öka den kemiska bindningen mellan proteiner och metalljoner i maskens käke. Med hjälp av selektiv bindning, käken hårdnar - vilket gör att den tål kraften från ett bett.

Guan studerar detta gränssnitt mellan hårda och mjuka vävnader för att replikera det i syntetiska material. I labbet, de tar polymerer bestående av långa, upprepa kemiska strukturer och introducera metalljoner för att simulera sammansättningen av maskens käke. Om materialet kunde känna det försvagade området och reagera kemiskt på det, stärka svaghetens plats, materialet skulle inte gå sönder.

I början, den försvagade fläcken bildas när mikroskador uppstår. I både maskens käke och syntetmaterial, denna skada sker på molekylär nivå. Stressen gör att små bindningar bryts mellan metalljonerna och proteinerna. Dessa bindningar, tuff till att börja med, ibland reformera.

Svårigheten kommer när man försöker hitta det lyckliga mediet mellan tillräckligt tufft för att inte bryta men inte så tufft att materialet blir oflexibelt. Om materialet fortsätter att hårdna när det upplever stress, så småningom kommer det att komma till den punkt där det är helt styvt. Då kommer det att vara benäget att misslyckas av en annan anledning.

Helst, tuffa material skulle vända denna förtjockningsprocess med jämna mellanrum för att förhindra att styvheten blir permanent. Att förstå kemin bakom de biologiska processerna är nyckeln till att signalera när ett material kan slappna av. Då, hotet om ett katastrofalt misslyckande skulle ha gått. Materialet kan reagera igen när en annan stressor påverkar systemet.

Dock, som Schulman noterade, det finns flera frågor att svara på innan du når den punkten. Att få ett material för att reagera på stress är svårt även i ett labb. Medan biologiska system har metoder för att kommunicera skador, kemisk signalering i syntetiska system är svårare än i levande system. Levande system har hela organiserade strukturer avsedda för signalering. Syntetiska material består ofta som en eller bara några få typer av kemiska enheter utan integrerat sätt att utlösa denna härdning. Så det andra tillvägagångssättet innebär att man gör material som läker raster när de händer.

Fixa en paus

Ett katastrofalt misslyckande behöver inte vara stort och dramatiskt för att orsaka allvarliga problem. Ta exempel på rymddräkt. Ett litet avbrott i kostymmaterialet kan vara katastrofalt för astronauten; att göra dräkten i stånd att läka sig själv är en möjlig lösning.

Vad är det egentligen som gör en materiell självläkning? Som hur huden läker sig själv, dessa material använder kemiska egenskaper för att "läka" sig själva.

I syntetmaterial, självläkning innebär reparation. De kemiska bindningarna måste kunna reformeras, särskilt efter katastrofala misslyckanden. När skadan får materialet att gå sönder, den ska kunna sy ihop igen precis som ett sår på huden gör.

Denna typ av reparation sker nere på molekylär nivå. Saitos forskning fokuserar på att utveckla nya, självläkande polymerer och syftar till att förstå detta kemiska svar. Saito tar ett ark av en specialframställd polymer och river sönder den. På kemisk nivå, dessa polymerer arbetar för att reformera bindningar och sy ihop. Nyckeln är att förstå den kemiska utlösaren som säger åt dem att sy ihop sig.

För att använda detta syntetiskt, Schulman hämtar inspiration från celler. "Celler kommunicerar om vad som måste finnas på en viss plats, "sa hon." De använder trådlös signalering genom kemikalier. "

Att översätta denna systemomfattande reaktion till ett syntetiskt material har varit utmanande. Medan i biologiska system ett helt nätverk av signaler reagerar på avbrott, en syntetisk polymer är vanligtvis gjord av endast ett fåtal komponenter. Hur materialet kan kommunicera med de kemiska komponenterna för att sy ihop igen är ett särskilt svårt förslag. Materialet skulle behöva upptäcka skador eller brott och reagera därefter.

Schulman noterade att syntetiska material inte har motståndskraften hos biologiska system. När en bit misslyckas, hela systemet misslyckas ofta. "Celler kan leva organismens livstid, men proteinerna vänder många gånger inuti cellen, " Hon sa.

Medan materialvetenskapen med fokus på självläkning zoomar in på den extrema kemiska nivån, den större bilden visar tillämpningar av självläkande material och hur dessa saker kan förändra även grundläggande idéer om hur infrastruktur fungerar.

Strano gillar att jämföra möjligheterna för självläkande material till hur en trädstam växer. Träd andas in koldioxid och näringsämnen från jorden och använder dessa för att bygga upp stammen. Genom att dra sina byggmaterial från luften, de har ständig åtkomst.

"Materialet kan bli starkare med tiden, "Sa Strano. När material omges av sina byggmaterial, det kanske inte finns någon gräns för hur länge de kan hålla.