p O desenvolvimento de materiais de autocura não é nenhuma novidade para Nancy Sottos, líder do Grupo de Sistemas de Materiais Autônomos no Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada da Universidade de Illinois Urbana-Champaign. p Inspirando-se nos sistemas circulatórios biológicos, como vasos sanguíneos ou as folhas de uma árvore, os pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign trabalharam no desenvolvimento de compostos estruturais vascularizados por mais de uma década, criando materiais que são leves e capazes de autocura e resfriamento.

p Mas agora, uma equipe de pesquisadores da Beckman liderada por Sottos e Mayank Garg, associado de pesquisa de pós-doutorado e autor principal do recém-publicado Nature Communications papel, "Fabricação rápida sincronizada de termofixos e compostos vascularizados, "encurtou um processo de fabricação de dois dias para aproximadamente dois minutos, aproveitando a polimerização frontal de resinas prontamente disponíveis.

p "Nos últimos anos, temos procurado maneiras de fazer redes vasculares em materiais de alto desempenho, "disse Sottos, que também é presidente dotado de Swanlund e chefe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais em Illinois. "Este é um verdadeiro avanço para fazer redes vasculares em materiais estruturais de uma forma que economiza muito tempo e muita energia."

p Garg disse que a maneira mais simples de entender seu trabalho é imaginar a composição de uma folha com seus canais internos e redes estruturais. Agora, imagine que a folha é feita de um material estrutural resistente; dentro, o fluido flui através de diferentes bicos e canais de sua vasculatura interconectada. No caso dos compósitos dos pesquisadores, o líquido é capaz de uma variedade de funções, como resfriamento ou aquecimento em resposta a ambientes extremos.

p "Queremos criar essas estruturas semelhantes à vida, mas também queremos que eles mantenham seu desempenho por um período substancialmente mais longo em comparação com a infraestrutura existente, adotando uma abordagem que a biologia usa de forma onipresente, "Garg disse." As árvores têm redes para transportar nutrientes e água do solo contra a gravidade e transportar alimentos sintetizados da folha para o resto da árvore. Os fluidos fluem em ambas as direções para regular a temperatura, cultivar novo material, e reparar o material existente ao longo de todo o ciclo de vida da árvore. Tentamos replicar essas funções dinâmicas em um sistema não biológico. "

p Contudo, criar esses materiais complexos historicamente tem sido um longo, processo assustador para o Grupo de Sistemas de Materiais Autônomos. Em pesquisas anteriores sobre materiais de autocura, pesquisadores precisavam de um forno quente, vácuo, e pelo menos um dia para criar os compostos. O longo ciclo de fabricação envolveu a cura do material hospedeiro e, subsequentemente, queimar ou vaporizar um molde de sacrifício para deixar oco, redes vasculares. Sottos disse que o último processo pode levar 24 horas. Quanto mais complicada a rede vascular, mais difícil e demorado é removê-lo.

p Para criar os materiais do host, cientistas optam pela polimerização frontal, um sistema de difusão térmica de reação que usa a geração e difusão de calor para promover duas reações químicas diferentes simultaneamente. O calor é criado internamente durante a solidificação do hospedeiro e o calor excedente desconstrói um molde embutido em conjunto para fabricar o material vascular. Isso significa que os pesquisadores podem encurtar o processo combinando duas etapas em uma, criando as redes vasculares, bem como o material hospedeiro polimerizado sem um forno. Adicionalmente, o novo processo permite que os pesquisadores tenham mais controle na criação das redes, o que significa que os materiais podem ter maior complexidade e função no futuro.

p "Com esta pesquisa, descobrimos como colocar redes vasculares usando a polimerização frontal para impulsionar a vascularização, "Sottos disse." Agora é feito em minutos, em vez de dias - e não temos que colocá-lo no forno. "

p Dois processos em um:a polimerização em tandem e a vascularização permitem que os cientistas criem materiais estruturais de autocura em questão de minutos.

p Os materiais de autocura podem ser benéficos onde quer que materiais fortes sejam essenciais para manter a função sob danos contínuos - como a construção de um arranha-céu. Mas, no caso dos pesquisadores, as aplicações mais prováveis ​​são para aviões, naves espaciais, e até mesmo a Estação Espacial Internacional. Sottos explicou que os materiais produzidos dessa maneira poderiam ser fabricados comercialmente em cinco a 10 anos, embora os pesquisadores observem que todos os materiais necessários e equipamentos de processamento estão atualmente disponíveis no mercado.

p Jeff Moore, diretor do Beckman Institute, um Stanley O. Ikenberry Endowed Chair de química, bem como Philippe Geubelle, o Professor Bliss de engenharia aeroespacial e reitor associado executivo do Grainger College of Engineering, também estiveram envolvidos no projeto.

p Do ponto de vista computacional, Geubelle explicou que ele foi capaz de capturar a polimerização frontal e a mudança de fase endotérmica ocorrendo nos modelos de sacrifício.

p "Fizemos um desempenho adaptativo, transitório, análises de elementos finitos não lineares para estudar esta competição e determinar as condições sob as quais esta polimerização frontal simultânea e vascularização do gel podem ser alcançadas, "disse ele." Esta tecnologia levará a uma maneira mais eficiente em termos de energia e substancialmente mais rápida para criar compostos com redes microvasculares complexas. "

p Graças à descoberta interdisciplinar da equipe, os materiais multifuncionais dinâmicos são agora mais fáceis de fabricar do que nunca.

p "Esta pesquisa é uma combinação de trabalho experimental, bem como trabalho computacional, "Garg disse." Requer comunicação sincronizada entre os membros da equipe de várias disciplinas - química, Engenharia, e ciência dos materiais - para revisar as estratégias tradicionais de manufatura não sustentáveis. "

p "Não há nada melhor do que ver as ideias surgirem de alunos e pós-doutorandos no grupo AMS resultantes de interações e reuniões de grupo conjuntas, "Moore acrescentou." O Grupo Moore estudou as reações de despolimerização de descompactação de cadeia durante anos. Fiquei encantado quando soube que a equipe do AMS reconheceu como a energia térmica produzida em uma reação de polimerização por evolução térmica pode ser sincronizada com a despolimerização em cadeia de descompactação em outro material com o propósito de fabricar canais. A primeira vez que vi os resultados de Mayank, Eu refleti para mim mesmo, 'Eu gostaria de ter pensado nessa ideia.' "