El desarrollo de materiales de autocuración no es nada nuevo para Nancy Sottos, líder del Grupo de Sistemas de Materiales Autónomos en el Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.

Inspirándose en los sistemas circulatorios biológicos, como los vasos sanguíneos o las hojas de un árbol, los investigadores de Urbana-Champaign de la Universidad de Illinois han trabajado en el desarrollo de compuestos estructurales vascularizados durante más de una década. creando materiales que sean livianos y capaces de curarse y enfriarse por sí mismos.

Pero ahora, un equipo de investigadores de Beckman dirigido por Sottos y Mayank Garg, investigador asociado postdoctoral y autor principal del recién publicado Comunicaciones de la naturaleza papel, "Fabricación sincronizada rápida de materiales compuestos y termoendurecibles vascularizados, "han acortado un proceso de fabricación de dos días a aproximadamente dos minutos aprovechando la polimerización frontal de resinas fácilmente disponibles.

"Durante los últimos años, hemos estado buscando formas de hacer redes vasculares con materiales de alto rendimiento, "dijo Sottos, quien también es presidente de Swanlund Endowed y jefe del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en Illinois. "Este es un gran avance para hacer redes vasculares en materiales estructurales de una manera que ahorra mucho tiempo y mucha energía".

Garg dijo que la forma más sencilla de entender su trabajo es imaginar la composición de una hoja con sus canales internos y redes estructurales. Ahora, imagina que la hoja está hecha de un material estructural resistente; dentro, el líquido fluye a través de diferentes picos y canales de su vasculatura interconectada. En el caso de los compuestos de los investigadores, el líquido es capaz de una variedad de funciones, como refrigeración o calefacción en respuesta a entornos extremos.

"Queremos crear estas estructuras realistas, pero también queremos que mantengan su rendimiento durante tiempos sustancialmente más largos en comparación con la infraestructura existente mediante la adopción de un enfoque que la biología utiliza de manera ubicua, "Dijo Garg." Los árboles tienen redes para transportar nutrientes y agua desde el suelo contra la gravedad y transportar alimentos sintetizados de la hoja al resto del árbol. Los fluidos fluyen en ambas direcciones para regular la temperatura, cultivar material nuevo, y reparar el material existente durante todo el ciclo de vida del árbol. Intentamos replicar estas funciones dinámicas en un sistema no biológico ".

Sin embargo, La creación de estos materiales complejos ha sido históricamente un largo, proceso de enormes proporciones para el Grupo de Sistemas Autónomos de Materiales. En investigaciones anteriores sobre materiales autocurativos, los investigadores necesitaban un horno caliente, aspiradora, y al menos un día para crear los compuestos. El largo ciclo de fabricación implicó curar el material huésped y posteriormente quemar o vaporizar una plantilla de sacrificio para dejar huecos, redes vasculares. Sottos dijo que este último proceso puede demorar 24 horas. Cuanto más complicada sea la red vascular, cuanto más difícil y lento es eliminarlo.

Para crear los materiales de acogida, los científicos optan por la polimerización frontal, un sistema de reacción-difusión térmica que utiliza la generación y difusión de calor para promover dos reacciones químicas diferentes al mismo tiempo. El calor se crea internamente durante la solidificación del huésped y el calor excedente deconstruye una plantilla incrustada en tándem para fabricar el material vascular. Esto significa que los investigadores pueden acortar el proceso combinando dos pasos en uno, creando las redes vasculares así como el material huésped polimerizado sin horno. Adicionalmente, el nuevo proceso permite a los investigadores tener más control en la creación de las redes, lo que significa que los materiales podrían tener una mayor complejidad y función en el futuro.

"Con esta investigación, Hemos descubierto cómo instalar redes vasculares mediante el uso de la polimerización frontal para impulsar la vascularización, "Sottos dijo." Ahora se hace en minutos en lugar de días, y no tenemos que ponerlo en el horno ".

Dos procesos en uno:la polimerización en tándem y la vascularización permiten a los científicos crear materiales estructurales autorreparables en cuestión de minutos.

Los materiales autorreparables pueden ser beneficiosos donde los materiales fuertes son esenciales para mantener la función en caso de daños sostenidos, como la construcción de un rascacielos. Pero en el caso de los investigadores, las aplicaciones más probables son para aviones, naves espaciales, e incluso la Estación Espacial Internacional. Sottos explicó que los materiales producidos de esta manera podrían fabricarse comercialmente en cinco a diez años, aunque los investigadores señalan que todos los materiales y equipos de procesamiento necesarios están actualmente disponibles comercialmente.

El director del Instituto Beckman, Jeff Moore, una cátedra de química otorgada por Stanley O. Ikenberry, así como Philippe Geubelle, el profesor Bliss de ingeniería aeroespacial y decano asociado ejecutivo de The Grainger College of Engineering, también participaron en el proyecto.

Desde un punto de vista computacional, Geubelle explicó que pudo capturar la polimerización frontal y el cambio de fase endotérmica que tiene lugar en las plantillas de sacrificio.

"Realizamos adaptaciones, transitorio, Análisis de elementos finitos no lineales para estudiar esta competencia y determinar las condiciones bajo las cuales se puede lograr esta polimerización frontal y vascularización simultáneas del gel, ", dijo." Esta tecnología conducirá a una forma más eficiente de energía y sustancialmente más rápida para crear compuestos con redes microvasculares complejas ".

Gracias al descubrimiento interdisciplinario del equipo, Los materiales multifuncionales dinámicos son ahora más fáciles de fabricar que nunca.

"Esta investigación es una combinación de trabajo experimental y trabajo computacional, ", Dijo Garg." Requiere una comunicación sincronizada entre los miembros del equipo de varias disciplinas:química, Ingenieria, y ciencia de materiales, para revisar las estrategias tradicionales de fabricación no sustentable ".

"No hay nada mejor que ver surgir ideas de estudiantes y postdoctorados en el grupo AMS como resultado de interacciones y reuniones grupales conjuntas, Moore añadió. “El Grupo Moore ha estudiado las reacciones de despolimerización de descompresión en cadena durante años. Me encantó saber que el equipo de AMS reconoció cómo la energía térmica producida en una reacción de polimerización de evolución de calor podría sincronizarse con la despolimerización de descompresión en cadena en otro material con el fin de fabricar canales. La primera vez que vi los resultados de Mayank, Pensé, 'Ojalá hubiera pensado en esa idea' ".