Hunter
Érzékeny, öngyógyító szintetikus bőr készül
Aligha van olyan, aki jobban ismeri az emberi bőr páratlan képességeit, mint azok a kutatók, akik mesterséges megfelelőjén dolgoznak. Bőrünk nem csupán érzékeny - pontos információkat küldve az agynak a nyomásról és a hőmérsékletről, de rendkívül hatékonyan gyógyul. Ennek a két tulajdonságnak az egyesítése egyetlen szintetikus anyagba komoly kihívást jelentett a Stanford Egyetem vegyészmérnök professzorának és munkatársainak, akik a Nature Nanotechnology november 11-i számában publikálták eredményeiket.
Zhenan Bao professzor az elmúlt évtizedben jelentős előrelépéseket ért el a mesterséges bőr terén, azonban még a leghatékonyabb öngyógyító anyagoknak is komoly hátulütőik voltak. Volt, ami csak magas hőmérsékleten működött megfelelően, alkalmatlanná téve a mindennapi alkalmazások számára, míg más anyagok, melyeknél a gyógyulás szobahőmérsékleten is működött, csupán egyszer voltak képesek "regenerálódni", egy vágás ugyanis véglegesen megváltoztatta mechanikai, vagy kémiai szerkezetüket. Mindezeknél is nagyobb gondot okozott, hogy egyik öngyógyító anyag sem volt jó elektromos vezető. "Ahhoz hogy csatlakoztassuk a digitális világhoz, célszerű vezetővé tenni" . mondta Benjamin Chee-Keong Tee, a tanulmány egyik szerzője.
A kutatóknak végül sikerült egyesíteni a két fő képességet, a műanyagok öngyógyítását és a fémek vezetőképességét. Kezdésként egy hosszú molekulaláncokkal rendelkező műanyagot választottak ki. A molekulákat viszonylag gyenge hidrogénkötések tartják össze, az egyik atom pozitív töltésű területe és a másik negatív töltésű területe közötti vonzással. "Ezek a dinamikus kötések teszik lehetővé az anyag öngyógyítását" - mondta Chao Wang, a tanulmány társszerzője. A molekulák könnyedén elválnak egymástól, azonban amikor újra kapcsolódnak a kötések újrarendezik önmagukat és a sérülés után visszaállítják az anyag szerkezetét. Az eredmény egy hajlékony anyag, ami még szobahőmérsékleten is egy kicsit olyan, mint egy hűtőben felejtett karamella.
A kutatás két kulcsfigurája, Wang és Tee
A kutatók parányi nikkel részecskéket adtak ehhez a rugalmas polimerhez, ami megnövelte az anyag mechanikai szilárdságát. A nanoméretű nikkel részecskék felülete érdes, ami az anyag vezetővé tételében játszik fontos szerepet, mivel minden egyes kiugró él egy elektromos mezőt koncentrál, megkönnyítve az elektromosság áramlását egyik részecskétől a másikig. A végeredmény egy szokatlan karakterisztikákkal felruházott polimer lett. "A legtöbb műanyag jó szigetelő, ez azonban egy kiváló vezető" - összegzett Bao.
A következő lépés az anyag mechanikai szilárdságának és elektromos vezetőképességének sérülés utáni helyreállíthatóságának vizsgálata volt. A kutatók az anyag egy vékony csíkját szikével ketté vágták, majd néhány másodpercre összeérintve a két darabot azt tapasztalták, hogy az anyag minimális idő elteltével is visszanyerte eredeti szilárdságának és vezetőképességének 75 százalékát. 30 perc alatt közel 100 százalékos regenerálódást sikerült elérniük. "Még az emberi bőrnek is napokra van szüksége a gyógyuláshoz, szóval úgy vélem, ez egészen nagyszerű" - mondta Tee, hangsúlyozva, hogy ugyanazt a mintát többször is megvághatták ugyanazon a helyen, a minta 50 vágás és gyógyulás után is ugyanúgy tűrte a hajlítás és a nyújtást, mint eredeti állapotában.
Az anyag kompozit természete egy új műszaki kihívást jelentett a kutatóknak. Bao rájött, hogy bár a nikkel az anyag erőssé és vezetővé tételének kulcsa, ugyanakkor a gyógyulási folyamat kerékkötője is. Gyengíti a hidrogénkötésekben rejlő potenciált, éppen ezért az anyag következő generációinál a csapatnak változtatni kell a nanorészecskék méretén és alakján, vagy akár a műanyag kémiai tulajdonságain is, hogy kiküszöböljék az adódó teljesítmény vesztést, magyarázta Wang, aki így is meglepőnek tartja az anyag öngyógyító képességét. "Munkánk előtt nagyon nehéz volt elképzelni, hogy egy ilyen rugalmas, vezető anyag még öngyógyító is kehet" - mondta.
A csapat azt is megvizsgálta, hogyan alkalmazhatnák az anyagot szenzorként. Az elektromos áramot alkotó elektronok számára az áthaladás ezen az anyagon olyan, mint egy patakon kövekről kövekre ugrálva átkelni. A kövek itt a nikkel részecskék, míg az egymástól elválasztó távolság meghatározza, mennyi energiára van szüksége egy elektronnak, hogy elszakadjon az egyik kőtől és átugorjon egy másikra.
A szintetikus bőr megcsavarásával, vagy megnyomásával változik a nikkel részecskék között távolság, ezáltal az elektronok mozgása is változik. Ezek az apró változások az elektromos ellenállásban lefordíthatók a bőrre irányuló nyomásként és feszülésként. Tee szerint az anyag elég érzékeny, hogy észlelje egy kézfogás által létrehozott nyomást, ezért ideális lehet a művégtagokhoz, emellett nem csak a lefelé irányuló nyomásra érzékeny, de a hajlításra is. Ami a közeli jövő alkalmazásait illeti, az anyag optimális lehet az elektromos eszközök és vezetékek borításaként, az öngyógyító tulajdonságának köszönhetően jelentősen csökkentve a karbantartási költségeket, különösen a nehezen hozzáférhető helyeken, mint az épületek falaiban vagy a gépjárművekben.
Zhenan Bao professzor az elmúlt évtizedben jelentős előrelépéseket ért el a mesterséges bőr terén, azonban még a leghatékonyabb öngyógyító anyagoknak is komoly hátulütőik voltak. Volt, ami csak magas hőmérsékleten működött megfelelően, alkalmatlanná téve a mindennapi alkalmazások számára, míg más anyagok, melyeknél a gyógyulás szobahőmérsékleten is működött, csupán egyszer voltak képesek "regenerálódni", egy vágás ugyanis véglegesen megváltoztatta mechanikai, vagy kémiai szerkezetüket. Mindezeknél is nagyobb gondot okozott, hogy egyik öngyógyító anyag sem volt jó elektromos vezető. "Ahhoz hogy csatlakoztassuk a digitális világhoz, célszerű vezetővé tenni" . mondta Benjamin Chee-Keong Tee, a tanulmány egyik szerzője.
A kutatóknak végül sikerült egyesíteni a két fő képességet, a műanyagok öngyógyítását és a fémek vezetőképességét. Kezdésként egy hosszú molekulaláncokkal rendelkező műanyagot választottak ki. A molekulákat viszonylag gyenge hidrogénkötések tartják össze, az egyik atom pozitív töltésű területe és a másik negatív töltésű területe közötti vonzással. "Ezek a dinamikus kötések teszik lehetővé az anyag öngyógyítását" - mondta Chao Wang, a tanulmány társszerzője. A molekulák könnyedén elválnak egymástól, azonban amikor újra kapcsolódnak a kötések újrarendezik önmagukat és a sérülés után visszaállítják az anyag szerkezetét. Az eredmény egy hajlékony anyag, ami még szobahőmérsékleten is egy kicsit olyan, mint egy hűtőben felejtett karamella.
A kutatás két kulcsfigurája, Wang és Tee
A kutatók parányi nikkel részecskéket adtak ehhez a rugalmas polimerhez, ami megnövelte az anyag mechanikai szilárdságát. A nanoméretű nikkel részecskék felülete érdes, ami az anyag vezetővé tételében játszik fontos szerepet, mivel minden egyes kiugró él egy elektromos mezőt koncentrál, megkönnyítve az elektromosság áramlását egyik részecskétől a másikig. A végeredmény egy szokatlan karakterisztikákkal felruházott polimer lett. "A legtöbb műanyag jó szigetelő, ez azonban egy kiváló vezető" - összegzett Bao.
A következő lépés az anyag mechanikai szilárdságának és elektromos vezetőképességének sérülés utáni helyreállíthatóságának vizsgálata volt. A kutatók az anyag egy vékony csíkját szikével ketté vágták, majd néhány másodpercre összeérintve a két darabot azt tapasztalták, hogy az anyag minimális idő elteltével is visszanyerte eredeti szilárdságának és vezetőképességének 75 százalékát. 30 perc alatt közel 100 százalékos regenerálódást sikerült elérniük. "Még az emberi bőrnek is napokra van szüksége a gyógyuláshoz, szóval úgy vélem, ez egészen nagyszerű" - mondta Tee, hangsúlyozva, hogy ugyanazt a mintát többször is megvághatták ugyanazon a helyen, a minta 50 vágás és gyógyulás után is ugyanúgy tűrte a hajlítás és a nyújtást, mint eredeti állapotában.
Az anyag kompozit természete egy új műszaki kihívást jelentett a kutatóknak. Bao rájött, hogy bár a nikkel az anyag erőssé és vezetővé tételének kulcsa, ugyanakkor a gyógyulási folyamat kerékkötője is. Gyengíti a hidrogénkötésekben rejlő potenciált, éppen ezért az anyag következő generációinál a csapatnak változtatni kell a nanorészecskék méretén és alakján, vagy akár a műanyag kémiai tulajdonságain is, hogy kiküszöböljék az adódó teljesítmény vesztést, magyarázta Wang, aki így is meglepőnek tartja az anyag öngyógyító képességét. "Munkánk előtt nagyon nehéz volt elképzelni, hogy egy ilyen rugalmas, vezető anyag még öngyógyító is kehet" - mondta.
A csapat azt is megvizsgálta, hogyan alkalmazhatnák az anyagot szenzorként. Az elektromos áramot alkotó elektronok számára az áthaladás ezen az anyagon olyan, mint egy patakon kövekről kövekre ugrálva átkelni. A kövek itt a nikkel részecskék, míg az egymástól elválasztó távolság meghatározza, mennyi energiára van szüksége egy elektronnak, hogy elszakadjon az egyik kőtől és átugorjon egy másikra.
A szintetikus bőr megcsavarásával, vagy megnyomásával változik a nikkel részecskék között távolság, ezáltal az elektronok mozgása is változik. Ezek az apró változások az elektromos ellenállásban lefordíthatók a bőrre irányuló nyomásként és feszülésként. Tee szerint az anyag elég érzékeny, hogy észlelje egy kézfogás által létrehozott nyomást, ezért ideális lehet a művégtagokhoz, emellett nem csak a lefelé irányuló nyomásra érzékeny, de a hajlításra is. Ami a közeli jövő alkalmazásait illeti, az anyag optimális lehet az elektromos eszközök és vezetékek borításaként, az öngyógyító tulajdonságának köszönhetően jelentősen csökkentve a karbantartási költségeket, különösen a nehezen hozzáférhető helyeken, mint az épületek falaiban vagy a gépjárművekben.
ségtől!