Bloed vormt inspiratie voor plastic die zichzelf herstelt

Ingenieurs van de University of Illinois hebben een nieuw soort plastic ontworpen dat "zichzelf kan genezen". Het plastic vult automatisch gaten en scheuren op en kan dat met gaten tot 35 mm groot. Dat is 100 keer meer dan de gaten die zelfherstellende stoffen tot nu aankonden.
Door de rode en lichtblauwe verticale haarvaten worden de producten aangevoerd.

Het polymeer - een stof bestaande uit erg grote moleculen die gevormd zijn door de herhaalde koppeling van kleine moleculen - wordt beschreven in het tijdschrift Science.

Het plastic is geïnspireerd door de menselijke bloedsomloop met zijn aders en slagaders, en heeft een netwerk van haarvaatjes die "genezende" chemicaliën naar beschadigde stukken brengen.

De chemicaliën komen via twee aparte stromen en vermengen zich om het gat te sluiten in een reactie die uit twee delen bestaat. In een eerste fase vormen ze een stelling van gel dwars over het gat en in een tweede fase verhardt de gel in een krachtige dichte structuur.

"We hebben stukken opgevuld die groter waren dan 35 mm in 20 minuten, en de mechanische werking hersteld binnen drie uur", schrijven de ingenieurs in Science. Uit testen bleek dat het materiaal zowat 62 procent van zijn oorspronkelijke sterkte herwon.

Oude droom

Geleerden dromen al lang van structuren die zichzelf kunnen genezen zoals planten of dieren een wonde genezen. Barsten in waterleidingen of de bumpers van auto's zouden zich vanzelf vullen, satellieten zouden zichzelf kunnen herstellen en kapotte elektronische chips in een laptop of smartphone zouden spontaan hun eigen problemen oplossen.

Een eerste grote doorbraak kwam er in 2001 aan dezelfde University of Illinois toen professor Scott White en zijn collega's een polymeer vol stopten met microscopische capsules met een vloeibare herstellend middel.Als het materiaal barstte, kwamen de herstellende chemicaliën vrij en ze overbrugden de barstjes.

Later werd er nog beton, waterafstotende deklagen en zelfs elektrische circuits ontworpen met bepaalde zelfherstellende eigenschappen. Maar zelfs de beste zelfherstellende plastics en polymeren konden tot nu enkel schade op kleine schaal herstellen, schrijven de ingenieurs in Science.

Voorbeelden in de natuur

Het nieuwe materiaal maakt de weg vrij voor toekomstige polymeren die zich kunnen herstellen van een ballistische inslag, zoals van een kogel, een bom of een raket.

Het ontwerp kreeg lof van de ingenieur Zhouzhou Zhao en professor Ellen Arruda van de University of Michigan. "Deze vernieuwende aanpak laat het herstellen van de mechanische integriteit toe van een beschadigde ruimte die ruwweg 100 keer groter is dan het grootste defect dat tot nu op deze manier hersteld kon worden", schrijven ze in Science. "Vasculaire systemen - systemen met veel kanaaltjes - bieden de mogelijkheid om breuken in materialen te voorkomen door te verhinderen dat kleine, niet-kritische barstjes uitgroeien tot een kritisch niveau."

De geleerden geven echter toe dat toekomstige, "echt regenererende" materialen een veel flexibeler herstelsysteem zullen nodig hebben.

"Als de schade onvoorspelbaar is en ongecontroleerd, zullen veel complexere en onderling verbonden vasculaire netwerken nodig zijn om voldoende vasculaire dekking en overtolligheid te bieden, en op die manier een eventuele blokkering van de kanaaltjes te omzeilen", schrijven professor White en zijn collega's.

Bovendien is nog niet onderzocht hoe zelfherstellende materialen op lange termijn functioneren. "Er zijn methoden nodig om de potentiële zelfherstellende mogelijkheden vast te stellen en te bekijken na verschillende herstellingen", zegden professor Arruda en ingenieur Zhao. "Ook hier kunnen elegante voorbeelden die zich in de natuur ontwikkeld hebben, de inspiratie vormen voor oplossingen."

Het opvullen van een gat, van links naar rechts in de tijd.