Att utveckla självläkande material är inget nytt för Nancy Sottos, ledare för Autonomous Materials Systems Group vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid University of Illinois Urbana-Champaign.

Med inspiration från biologiska cirkulationssystem - som blodkärl eller löven på ett träd - har University of Illinois Urbana-Champaign forskare arbetat med att utveckla vaskulariserade strukturella kompositer i mer än ett decennium, att skapa material som är lätta och som kan självläka och självkyla.

Men nu, ett team av Beckman-forskare ledda av Sottos och Mayank Garg, postdoktoral forskningsassistent och huvudförfattare till den nyligen publicerade Naturkommunikation papper, "Snabb synkroniserad tillverkning av vaskulariserade termohärdar och kompositer, "har förkortat en tvådagars tillverkningsprocess till cirka två minuter genom att utnyttja frontal polymerisation av lättillgängliga hartser.

"Under de senaste åren har vi letat efter sätt att skapa vaskulära nätverk i högpresterande material, sa Sottos, som också är Swanlund Begåvad ordförande och chef för Institutionen för materialvetenskap och teknik i Illinois. "Detta är ett verkligt genombrott för att göra kärlnätverk i strukturella material på ett sätt som sparar mycket tid och sparar mycket energi."

Garg sa att det enklaste sättet att förstå deras arbete är att föreställa kompositionen av ett löv med dess interna kanaler och strukturella nätverk. Nu, föreställ dig att bladet är gjort av ett tufft strukturellt material; inuti, vätska strömmar genom olika piper och kanaler i dess sammankopplade kärlsystem. När det gäller forskarnas kompositer, vätskan har en mängd olika funktioner, såsom kylning eller uppvärmning som svar på extrema miljöer.

"Vi vill skapa dessa verklighetstrogna strukturer, men vi vill också att de ska bibehålla sin prestanda under betydligt längre tider jämfört med befintlig infrastruktur genom att anta en metod som biologi använder överallt, ", sade Garg. "Träd har nätverk för att transportera näringsämnen och vatten från marken mot gravitationen och transportera syntetiserad mat från bladet till resten av trädet. Vätskorna strömmar i båda riktningarna för att reglera temperaturen, odla nytt material, och reparera befintligt material under trädets hela livscykel. Vi försöker replikera dessa dynamiska funktioner i ett icke-biologiskt system."

Dock, att skapa dessa komplexa material har historiskt sett varit en lång, skrämmande process för Autonomous Materials Systems Group. I tidigare forskning om självläkande material, forskare behövde en varm ugn, Vakuum, och minst en dag för att skapa kompositerna. Den långa tillverkningscykeln innebar härdning av värdmaterialet och därefter bränning eller förångning av en offermall för att lämna efter sig ihålig, vaskulära nätverk. Sottos sa att den senare processen kan ta 24 timmar. Ju mer komplicerat det vaskulära nätverket, desto svårare och mer tidskrävande är det att ta bort.

För att skapa värdmaterialet, forskare väljer frontal polymerisation, ett reaktions-termiskt diffusionssystem som använder generering och diffusion av värme för att främja två olika kemiska reaktioner samtidigt. Värmen skapas internt under stelningen av värden och överskottsvärme dekonstruerar en inbäddad mall i tandem för att tillverka det vaskulära materialet. Detta innebär att forskarna kan förkorta processen genom att kombinera två steg till ett, skapar de vaskulära nätverken såväl som det polymeriserade värdmaterialet utan ugn. Dessutom, den nya processen gör det möjligt för forskare att ha mer kontroll över skapandet av nätverken, vilket innebär att materialen kan ha ökat komplexitet och funktion i framtiden.

"Med denna forskning, vi har kommit på hur man sätter i kärlnätverk genom att använda frontal polymerisation för att driva kärlbildningen, " Sa Sottos. "Det blir gjort på några minuter nu istället för dagar - och vi behöver inte sätta in det i en ugn."

Två processer i en:Tandempolymerisation och vaskularisering tillåter forskare att skapa självläkande strukturmaterial på några minuter.

Självläkande material kan vara till nytta överallt där starka material är väsentliga för att bibehålla funktionen under långvarig skada – som t.ex. vid konstruktionen av en skyskrapa. Men när det gäller forskarna, de mest troliga tillämpningarna är för flygplan, rymdskepp, och till och med den internationella rymdstationen. Sottos förklarade att material tillverkade på detta sätt skulle kunna tillverkas kommersiellt inom fem till 10 år, även om forskarna noterar att alla nödvändiga material och bearbetningsutrustning för närvarande är kommersiellt tillgängliga.

Beckman Institutes direktör Jeff Moore, en Stanley O. Ikenberry begåvad ordförande i kemi, liksom Philippe Geubelle, Bliss-professorn i flyg- och rymdteknik och verkställande biträdande dekanus vid The Grainger College of Engineering, var också involverade i projektet.

Ur beräkningssynpunkt, Geubelle förklarade att han kunde fånga den frontala polymerisationen och den endotermiska fasförändringen som äger rum i offermallarna.

"Vi utförde adaptivt, övergående, olinjära finita elementanalyser för att studera denna konkurrens och bestämma villkoren under vilka denna samtidiga frontala polymerisation och vaskularisering av gelén kan uppnås, "Denna teknik kommer att leda till ett mer energieffektivt och betydligt snabbare sätt att skapa kompositer med komplexa mikrovaskulära nätverk."

Tack vare teamets tvärvetenskapliga upptäckt, dynamiska multifunktionella material är nu lättare att tillverka än någonsin tidigare.

"Denna forskning är en kombination av experimentellt arbete såväl som beräkningsarbete, ", sa Garg. "Det kräver synkroniserad kommunikation mellan teammedlemmar från olika discipliner – kemi, teknik, och materialvetenskap – för att se över traditionella icke-hållbara tillverkningsstrategier."

"Det finns inget bättre än att se idéer bubbla upp från studenter och postdoktorer i AMS-gruppen som ett resultat av interaktioner och gemensamma gruppmöten, ", tillade Moore. "Moore-gruppen har studerat depolymerisationsreaktioner för att lossa kedjan i flera år. Jag blev glad när jag fick veta att AMS-teamet insåg hur den termiska energin som produceras i en värmeutvecklande polymerisationsreaktion kunde synkroniseras med kedjeupplåsning av depolymerisering i ett annat material i syfte att tillverka kanaler. Första gången jag såg Mayanks resultat, Jag tänkte för mig själv, "Jag önskar att jag hade tänkt på den idén."