Ett särskilt genialt botemedel mot rostproblemet kan snart finnas tillgängligt. Forskare från Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH i Düsseldorf och Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz har lyckats ta två enorma framsteg mot att utveckla en självläkande korrosionsskyddsbeläggning. I en studie, de bäddade in några 100 nanometer stora polymerkapslar som innehöll antikorrosionsnyttolaster i en beläggning. De applicerade beläggningen på en metall och utsatte metallen för korrosion genom en spricka i beläggningen. Därpå, kapslarna öppnade och släppte de skyddande lasterna. Så snart den frätande attacken upphörde, behållarna stängdes igen. I den andra studien, forskarna kapslade in ämnen i nanobehållare som kan läka små sprickor och hål i den skyddande metallbeläggningen. Forskarna visade därmed att behållarna var kemiskt förändrade och släppte de läkande nyttolasterna när korrosionsprocessen startade. Behållarna stängdes sedan igen i slutet av den frätande attacken.

Människo- och djurhud är exemplariskt i många avseenden. Materialforskare är framför allt imponerade av det sätt på vilket den läker sig själv när den skadas. De skulle vilja utrusta antikorrosionsbeläggningar med just denna kapacitet, så att fina sprickor och små hål i beläggningar inte orsakar katastrof på kort eller lång sikt för den underliggande metallen. "Vi har gjort två genombrott i strävan efter intelligent korrosionsskydd, " rapporterar Michael Rohwerder, Ledare för en forskargrupp vid Max-Planck-Institut für Eisenforschung.

Tillsammans med sina kollegor från Max Planck Institute for Polymer Research, de Düsseldorf-baserade forskarna testade kapslar gjorda av den ledande polymeren polyanilin som behållare för korrosionsskyddande ämnen. De hade dekorerat nanokapslarna med metallnanopartiklar för att skapa lämplig elektrisk kontakt mellan behållarna och metallen som de applicerade kapslarna på som komponenter i en beläggning. Genom en defekt i den skyddande beläggningen, de utsatte metallen för korrosion genom att droppa en droppe saltvatten på öppningen i den skyddande beläggningen. Den frätande attacken, dock, hade ingen effekt, när polymerkapslarnas väggar blev porösa, tillåta ämnen som finns i dem att fly, vilket sedan blockerade syrereduktionsprocessen.

Den elektrokemiska potentialen är den mest pålitliga nyckeln för att öppna kapslarna

"Vad som är avgörande här är att välja rätt signal för att öppna kapselväggen, " säger Michael Rohwerder. Kapslarna kan alltså öppnas rent mekaniskt när den skyddande beläggningen repas. Eller så kan de reagera på ett stigande pH-värde, som kan åtfölja korrosionsprocessen. Dock, Max Planck-teamet valde att utnyttja den elektrokemiska potentialen som en kapselöppnare som punkterade polyanilinhöljet genom en process av kemisk omvandling. "Denna potential faller alltid när korrosion börjar, " förklarar Rohwerder. "Så det ger den mest pålitliga signalen för kapslarna att öppna." Dessutom, elektrisk kontakt krävs för att kapslarna också ska känna igen det elektrokemiska larmet. Detta tillhandahålls av metallnanopartiklarna mellan kapselväggen och metallen. Kapslarna upptäcker när korrosionen har upphört genom samma informationskanal, eftersom potentialen stiger konstant vid denna tidpunkt. Kapselväggen omstruktureras sedan av sig själv och porerna återförseglas.

Behållarna, där forskarnas inneslutna nyttolaster kan användas för att bilda ett polymerskinn. Dessa nyttolaster kan polymerisera i en defekt och täta sprickan eller hålet. Dock, i denna studie applicerade forskarna inte kapslarna på en metall med en beläggning för att testa dem för korrosion. De replikerade de kemiska förhållandena som finns i början och slutet av korrosionsprocessen med reducerande och oxiderande ämnen och öppnade eller stängde kapslarna på detta sätt. "Vi kunde upprepa denna redoxprocess med polyanilinkapslarna över 80 gånger, säger Daniel Crespy, en forskningsgruppsledare vid Max Planck Institute for Polymer Research, som övervakade studien.

Olja vätskor kan kapslas in i en miniemulsion

Att de läkande ämnena kan kapslas in på ett riktat sätt är av särskilt intresse ur kemistens perspektiv. Detta möjliggörs av en teknik som utvecklats av forskare som arbetar med Katharina Landfester vid Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz. De producerar en emulsion från en vattenlösning, i vilka droppar olja flyter. En process som endast fungerar i begränsad omfattning med mjölk – efter ett tag samlas grädden på toppen – fulländades av kemisterna. I deras miniemulsion, inte bara är oljedropparna lika små i storlek, men de finns kvar, tack vare några kemiska knep, nästan helt stabil.

Innan Daniel Crespy och hans kollegor finemulgerar den oljiga vätskan i vattenlösningen genom att blanda den och använda ultraljud, de lägger till komponenterna för polymerkapslarna till den. Komponenterna reagerar bara för att producera långkedjiga molekyler när kemisterna droppar in en annan kemisk ingrediens i den beredda emulsionen, som löser sig i vatten och utlöser polymerisationen precis på ytan av oljedropparna. "Det här är hur vi kan kapsla in oljiga vätskor i en vattenhaltig miljö, säger Daniel Crespy. Men, trots att det låter som ett enkelt recept, de finare detaljerna i processen är faktiskt mycket svåra att implementera. Under polymerisationen, emulsionens kemiska miljö förändras så att oljedropparna tenderar att aggregera och normalt ackumuleras ovanpå vattnet. "Men vi hittade ett sätt att stabilisera emulsionen, säger Crespy.

De korrosionsskyddande ämnena måste effektiviseras

Dessutom, det är inte direkt lätt att bevisa att kapslarna bara släpper medlet för att läka defekterna i en beläggning när det behövs. För detta ändamål, forskarna i Mainz var tvungna att isolera kapslarna efter varje steg, ersätta dem med lämpliga lösningsmedel och undersöka dem med hjälp av kärnmagnetisk resonansspektroskopi, som gav information om volymerna av ämnena som finns i kapslarna.

I de två senaste studierna, teamet av forskare från Düsseldorf och Mainz försåg nanokapslarna med några av de funktioner som en självläkande korrosionsbeläggning skulle behöva ge. "Vi vill nu innesluta de läkande ämnena och de antikorrosionsämnena tillsammans i samma kapslar, säger Crespy, eftersom endast båda ämnena kombinerat kan ge ett omfattande skydd mot förstörelse orsakad av rost. Medan de korrosionsskyddande ämnena snabbt stoppar korrosionen, som den initiala stoppningen av blodflödet i händelse av skada, de läkande ämnena återställer beläggningens varaktiga rostskyddande effekt. Dock, som ett läkande sår, de behöver mer tid för att utföra sitt arbete. "Tills nu, det har inte varit möjligt att kapsla in båda ämnena under samma kemiska förhållanden, " säger Daniel Crespy. Det här är vad han och hans kollegor skulle vilja uppnå.

Michael Rohwerder har också identifierat två ytterligare utmaningar som fortfarande måste övervinnas innan det självläkande antikorrosionssystemet är komplett. "Först, vi måste identifiera hämmande ämnen som är lika effektiva, till exempel, som kromater, " säger forskaren. Kromater sätter fortfarande standarden när det gäller antikorrosionsbeläggningar för närvarande; dock, de förbjuds i ett ökande antal tillämpningar på grund av deras toxicitet. "Andra, vi måste se till att de läkande ämnena når en defekt snabbare och i större mängder, säger Rohwerder. Hittills de har hållits tillbaka av att de inte är särskilt vattenlösliga; korrosion, dock, uppstår endast när en defekt utsätts för vatten. Om forskarna lyckas göra framsteg i dessa frågor, det är fullt möjligt att metallbeläggningar kommer att vara lika med levande hud när det kommer till självläkande krafter.