Полімери з оборотними хімічними зв’язками — це один із найцікавіших напрямів у матеріалознавстві. Ідея проста: багато звичайних полімерів після руйнування хімічних зв’язків не можуть самостійно відновити початкову структуру, а в таких матеріалах молекулярні «з’єднання» можуть розриватися і знову утворюватися.
Уявіть не клей, а молекулярні застібки-липучки.
1. Diels–Alder полімери – це одні з найвідоміших полімерів з оборотними хімічними зв’язками. У них є оборотні хімічні зв’язки, утворені реакцією Diels–Alder. При нагріванні рівновага зміщується в бік ретро-Diels–Alder реакції, що призводить до розриву зв’язків. При охолодженні переважає зворотна Diels–Alder реакція, яка відновлює ці зв’язки.
Наприклад: полімер → нагрівання → ланцюги роз’єдналися → охолодження → зв’язалися знову
Застосування: самовідновлювані покриття, клеї, композити для авіації.
Проблема: зазвичай потрібне нагрівання (часто десятки або понад сотню градусів).
2. Вітримери (vitrimers) – це дуже цікава група, які були запропоновані французьким фізиком і хіміком польського походження Людвіком Лейблером (Ludwik Leibler) та його колегами у 2011 році. Вітример виглядає як звичайний твердий пластик, але його молекулярна сітка може перебудовуватися.
Тобто якщо зламалися зв’язки у звичайного пластику, то тріщина залишається назавжди. У вітримерах ковалентна сітка зберігається, але окремі зв’язки можуть обмінюватися місцями, що дозволяє матеріалу перебудовуватися під дією тепла.
Не всі такі полімери просто «роз’єднуються при нагріванні і склеюються при охолодженні» — температура залежить від конкретної хімічної системи.
Плюси:
– можна ремонтувати нагріванням;
– можна переробляти;
– вони можуть поєднувати властивості термореактивних пластиків (міцність, стабільність) із можливістю повторної переробки.
3. Полімери з оборотними водневими взаємодіями. Тут працюють слабші взаємодії. Водневі зв’язки постійно утворюються, руйнуються і знову утворюються.
Приклад — матеріали на основі: поліуретанів, поліамідних систем, спеціальних еластомерів. Вони можуть частково відновлювати контакт між поверхнями після пошкодження.
4. Іономери. У них між полімерними ланцюгами є взаємодії через іони.
Не самі іони просто «рухаються» вільно. Зазвичай відбувається:
– перебудова іонних кластерів;
– оборотне утворення іонних асоціатів;
– перерозподіл взаємодій між ланцюгами.
Такі матеріали використовують у: мембранах, покриттях, спеціальних пластиках. Деякі самовідновлювані полімери наслідують окремі властивості шкіри — здатність закривати пошкодження та частково відновлювати функції
Але вони не роблять магії:
– велика дірка не заросте;
– втрачений шматок матеріалу не з’явиться;
– міцність часто повертається не на 100%.
Цікаво: деякі хімічні зв’язки в матеріалах можуть оборотно утворюватися і руйнуватися, але проблема в тому, щоб зробити це:
– швидко;
– при кімнатній температурі;
– багато разів;
– без втрати міцності.
Саме тому робот T-1000 із фільму «Термінатор 2: Судний день», що здатний відновлювати форму завдяки фантастичному «рідкому металу», поки залишається науковою фантастикою. Реальні самовідновлювані полімери — це пластики, які лише частково відновлюють себе, а не роботи, які збирають себе після пострілу. Джерело