Flygplan är himlens giganter; ett kommersiellt flygplan är över 6, 000 gånger så tung som en stor kanadensisk gås. Vid 500 mph, dock, dessa giganter är inte ogenomträngliga för stötar, även från den till synes ofarliga gåsen. Sådan skada kan resultera i en rad problem, från fluktuationer i lufttryck och höjd.

USC-forskare har utvecklat ett nytt material som kan fixa sådana slagskador i luften, så fort det inträffar. Laget, leds av Qiming Wang, Stephen Schrank Early Career ordförande och biträdande professor vid Sonny Astani Institutionen för civil- och miljöteknik, skapade 3D-gitterstrukturer – strukturer som har upprepande celler – som autonomt kommer att återhämta sig från stötskador, först återställa strukturens ursprungliga form och sedan läka de dödliga frakturerna eller brotten i materialet.

"Traditionellt, gitterstrukturer, medan den är lätt, har låg skadetolerans, det vill säga om det finns effekt, det sprider sig lätt, så småningom äventyrar strukturen. Materialet vi skapade har hög skadetolerans, " sa Wang.

Det nya materialet kännetecknas av hög styrka och styvhet. Till skillnad från traditionella självläkande material, Wang sa, i händelse av en fraktur, inga manuella ingrepp krävs. "Du behöver inte trycka ihop de frakturerade delarna igen för att möjliggöra läkning av materialet, "Wang sa. "Formminnet som är karakteristiskt för vårt nya material betyder att de brutna bitarna kommer att anpassa sig tillbaka till den ursprungliga formen autonomt, innan man börjar läka de enskilda bindningarna."

Forskargruppen inkluderar:USC Viterbi Ph.D. studenter Kunhao Yu, Haixu Du, en Xin, Kyung Hoon Lee, och Zhangzhengrong Feng; Professor vid Sonny Astani Institutionen för bygg- och miljöteknik Sami F. Masri; Professor vid Daniel J Epstein Institutionen för industri- och systemteknik Yong Chen; och University of Missouri Department of Mechanical and Aerospace Engineering Professor Guoliang Huang. Deras arbete publicerades i NPG Asia Materials .

Självläkande, Form minnesbar och fotohärdbar

3-D gitterstrukturer är inte lätta att tillverka. Wang sa:"Den befintliga metoden - lager för lager laminatmontering - är tidskrävande." Dock, Wang sa, för att kunna använda 3D-utskrift, du är begränsad till specifika material. Dessa material saknar de egenskaper som krävs för autonom självläkning.

För att skapa ett nytt material som hade alla önskade egenskaper, forskarna byggde på en tidigare innovation:ett mer gummiliknande självläkande material med dynamiska bindningar (disulfidbindningar) som utlöser självläkning. När dessa band går sönder, appliceringen av värme trycker ihop dem igen för att reformera de ursprungliga bindningarna. Även om de är självläkande, det gummiliknande materialet var för mjukt för att bära mycket vikt.

För att införliva de egenskaper som krävs för att uppfylla sina mål, forskarna lade till kristallina domäner - polymerer med hög styvhet och känslighet för värme. "Materialet är starkt som teflon. I våra studier, vi fann att materialet kunde stödja 1, 000 gånger sin egen vikt, " sa Wang.

När forskarna införlivade de kristallina domänerna, de lade också till en annan nyckelegenskap:formminne, vilket innebär att polymererna memorerar strukturens ursprungliga form.

För att uppfylla alla sina mål, forskarna lade också till den kemiska gruppen akrylat (som ofta används i lim), vilket gjorde materialet fotohärdbart, eller reaktiv när materialet utsätts för ljus. Denna egenskap var väsentlig för användningen av en 3-D-utskriftsteknik som kallas stereolitografi, genom vilket ljus får det flytande materialet att stelna lager för lager för att bilda fasta gitterstrukturer.

När stötskador uppstår, ett material uppvisar vanligtvis två former av deformation:en buckla eller formförändring och strukturella frakturer (brutna bindningar). Traditionellt, med befintliga självläkande material, Wang sa att frakturer kunde läkas, men inte förrän manuell omplacering av de frakturerade delarna inträffade - i princip tryckte objektet ihop till sin ursprungliga form. Med det nya materialet, formåterhämtning och frakturreparation sker båda autonomt, med applicering av värme.

Processen börjar med effekten. När en struktur är skadad, fjärrvärme – applicerad vid 80 grader Celsius (cirka 176 grader Fahrenheit) i studien – appliceras för att påbörja formåterställningsprocessen. I detta fall, forskarna skapade en sidovinge och slog in en vikt i den. En gång skadad, värmen applicerades. Vingens ursprungliga form återställdes inom två minuter. Under konstant värme, de brutna bitarna börjar återskapa bindningar och läka. Efter sex timmar, materialet återgick till sin ursprungliga styrka och struktur.

I den här studien, forskarna genomförde tio cykler av skada och läkning med samma struktur. Även efter den tionde cykeln, strukturen bibehöll samma nivå av mekanisk integritet som ursprungligen.

Flygplan, Tåg och bilar

Dessa nya gallerstrukturer kan användas för att förstärka valfritt antal fordon, från flygplan till bil. "När det händer en olycka, att reparera bucklor och sprickor på en bilkaross är alltid mycket besvärligt, " sa Wang. "Men om bilens kaross var gjord av våra nya gallerstrukturer, denna reparation kan ske självständigt, återställa kroppen till sin ursprungliga form och funktion, utan extra kostnad eller alltför långa reparationstider."

Praktiskt taget, Wang ser detta material arbeta tillsammans med sensorer. Om sensorn upptäcker stötskador, en värmare kommer att utlösas, påbörja läkningsprocessen. Andra applikationer inkluderar försvarsfordon, som tankar, eller skottsäkra västar/rustningar. Wang sa att detta material kunde erbjuda längre användningsperioder och bättre skadetolerans för nyckeldelar.

En annan applikation är ett direkt resultat av själva formminnet och läkningsegenskaperna. Wang sa att om du skär eller ändrar en struktur för att omvandla den till en annan - till exempel från en triangel till en kagome (stjärnbaserad) form, du kan trimma materialet för att uppvisa olika kvaliteter, till exempel, dämpning kontra sändning av vissa vibrationsfrekvenser. När en sådan användning är klar, applicering av värme kommer att återställa strukturen till sin ursprungliga form.