Zmieniający kształt plastik z elastyczną przyszłością

Biorąc pod uwagę ograniczenia przestrzenne i wagowe, co zabrałbyś ze sobą na Marsa? Idealną opcją może być pojedynczy materiał, który może przekształcić kształty w dowolny obiekt, jaki sobie wyobrazisz.

Rano możesz uformować z tego materiału zastawę stołową. Kiedy śniadanie będzie gotowe, możesz zamienić widelec i nóż w łopatę, aby pielęgnować marsjański ogród. A kiedy na Czerwonej Planecie nadejdzie szczęśliwa godzina, ta łopata może stać się kubkiem na Twoje marsjańskie piwo.

To, co brzmi jak science fiction, może być o krok bliżej rzeczywistości. Naukowcy ze Szkoły Inżynierii Molekularnej Pritzkera na Uniwersytecie w Chicago opracowali nowy rodzaj tworzywa sztucznego, którego właściwości można utrwalić za pomocą ciepła, a następnie utrwalić poprzez szybkie chłodzenie – proces zwany wyżarzaniem. W przeciwieństwie do klasycznych tworzyw sztucznych, materiał zachowuje tę sztywność po doprowadzeniu do temperatury pokojowej.

Wyniki, opublikowany w czasopiśmie Science może pewnego dnia zmienić sposób, w jaki astronauci pakują się w przestrzeń kosmiczną.

„Zamiast brać różne tworzywa sztuczne, bierzesz ten jeden plastik i nadajesz mu potrzebne właściwości” – powiedział Stuart Rowan, chemik z Uniwersytetu w Chicago i autor nowego badania.

Ale przestrzeń nie jest jedynym miejscem, w którym materiał może być użyteczny. Dr. Zespół Rowana widzi swój potencjał także w innych środowiskach, w których zasoby są ograniczone – na przykład na morzu lub na polu bitwy. Można by go również wykorzystać do stworzenia miękkich robotów i usprawnienia recyklingu tworzyw sztucznych.

„Wszyscy w życiu codziennym polegamy na tworzywach sztucznych” – powiedział Shrayesh Patel, inżynier chemik na Uniwersytecie w Chicago i autor nowego badania. Jednak na przykład kubki piankowe, worki na śmieci i soczewki okularowe wymagają tworzyw sztucznych o innych właściwościach.

Z drugiej strony pojedynczy materiał, który można dostosować do różnych potrzeb, „upraszcza produkcję tworzyw sztucznych” – stwierdził dr. Patel. Sprawiłoby to również, że tworzywa sztuczne byłyby bardziej zrównoważone, ponieważ wszystkie elementy mogłyby być przetwarzane razem po recyklingu. Wyjaśnił, że plastik należy sortować, jeśli recykling oznacza, że ​​tylko niewielka jego część jest ponownie wykorzystywana.

Nowoczesne tworzywa sztuczne składają się z łańcuchów molekularnych, które są ze sobą trwale połączone i dlatego trudno je rozbić. Jednak badacze z Chicago twierdzą, że ich nowy materiał jest „pluripotencjalny” – termin zwykle używany do opisania ogólnej właściwości komórek macierzystych – lub składa się z wiązań, które mogą zostać zerwane i odbudowane pod wpływem ciepła.

Inspiracją dla nich był sposób, w jaki kowale hartują stal w piecu, czyli stopniowo ją podgrzewają, a następnie szybko schładzają. Jednak w przeciwieństwie do metalu tworzywa sztuczne są lekkie i można je formować w temperaturach osiągalnych w piekarniku lub kuchence.

Naukowcy podgrzali czerwonawy, półprzezroczysty plastik do temperatury od 140 do 230 stopni Fahrenheita, a następnie umieścili go w zamrażarce, aby szybko go schłodzić. Podczas odpuszczania w niższych temperaturach tworzy się więcej wiązań molekularnych, dzięki czemu tworzywo sztuczne staje się sztywniejsze. Jednakże w wyższych temperaturach materiał stał się bardziej miękki i lepki.

Zespół uformował z plastiku łyżkę wystarczająco mocną, aby można było wyciągnąć masło orzechowe ze słoika, oraz widelec, którym można było nabrać ser. Stworzyli także klej wystarczająco mocny, aby skleić ze sobą dwa kawałki szkła i mały pazur podobny do tego, który można znaleźć w zabawkowej maszynie.

Julia Kalow, chemik z Northwestern University, która nie brała udziału w badaniu, ale je napisała perspektywiczny Na podstawie wyników Science uznał pomysł pojedynczego materiału, który mógłby osiągnąć różnorodne właściwości, za wyjątkowy i ekscytujący. „Teraz, gdy wiemy, że osiągnięcie tej właściwości mogłoby być przydatne, wielu innych badaczy zainspiruje się do znalezienia nowych sposobów osiągnięcia tego celu” – powiedziała.

Pierwsza generacja pluripotencjalnych tworzyw sztucznych ma pewne ograniczenia. Chociaż zespół wykazał, że materiał można przetwarzać co najmniej siedem razy i zachowuje swój kształt przez co najmniej miesiąc, nie ma pewności co do jego trwałości.

„Nie zastąpią one jeszcze standardowych tworzyw sztucznych” – powiedział Nicholas Boynton, absolwent Uniwersytetu w Chicago, który kierował eksperymentami na potrzeby badania. Na przykład materiał nie ma jeszcze wytrzymałości plastikowej torby ani elastyczności gumki.

„Jeszcze nie osiągnęliśmy celu, ale jesteśmy już blisko” – powiedział Boynton. „Myślę, że obecnie naprawdę ekscytującą rzeczą jest posiadanie materiału, który ma dostęp do tak szerokiego zakresu”.