Priroda je savršen inženjer: uzmimo za primjer njezin dizajn ljudskih udova, koji nam otkriva minuciozno osmišljenu i izrađenu višeslojnu samo-regenerirajuću biostrukturu temeljenu na čvrstim i elastičnim kostima obloženim mišićima i kožom, živućim slojevima tkiva različite tvrdoće i ostalih fizikalnih svojstava, koji su međusobno savršeno povezani krvnim žilama, živcima, ligamentima i tetivama, a sve zajedno ima besprijekornu funkcionalnost. Za svakoga ambicioznog bioinženjera najveći je izazov postići takvu razinu sofisticiranosti i funkcionalnosti korištenjem sintetičkih materijala za izgradnju biološki nadahnutih robotskih dijelova ili višekomponentnih, složenih strojeva.

Elastomeri - polimeri s cross-linkied očvrsjem

S takvim ambicijama na umu udružili su se istraživački timovi Sveučilišta Texas A&M i Laboratorija za razvoj borbenih sposobnosti američke vojske, poigrali se kemijskim svojstvima jednog polimernog spoja, pa kao rezultat stvorili čitavu lepezu sintetičkih materijala vrlo intrigantnih svojstava. Ti polimerni materijali imaju širok raspon tvrdoće - od ekstremno mekanih do krajnje krutih - a mogu se koristiti za 3D-ispisivanje vrlo složenih oblika, sposobni su sami sebe regenerirati (samoizliječiti oštećenja u svojoj strukturi), prirodno prianjaju jedan na drugoga i na zraku i pod vodom, a može ih se i reciklirati. Rezultati istraživanja detaljno su opisani u nedavnom izdanju znanstvenog časopisa Advanced Functional Materials.

Dr. Svetlana Sukhishvili, profesorica na Odjelu za izučavanje materijala Sveučilišta A&M pojašnjava detalje istraživanja: "Dizajnirali smo skupinu materijala čija su svojstva u inženjerskom smislu vrlo uzbudljiva i interesantna jer se mogu precizno prilagoditi, mogu biti mekani i elastični poput gume ili biti čvrsti poput nosivih konstrukcijskih elemenata. Osim toga, posjeduju brojne druge korisne karakteristike, poput mogućnosti 3D-ispisa i sposobnosti 'samoizlječenja' strukturalnih oštećenja u roku od nekoliko sekundi, što ih čini pogodnim ne samo za izradu medicinske protetike i robotičkih dijelova sa svojstvima živog tkiva, već imaju i potencijal za vojnu primjenu, primjerice za izradu lagane i otporne vojne opreme koja se sama popravlja nakon oštećenja, pa i za futurističke borbene letjelice s elisama i krilima kojima oštećenja zarastaju sama od sebe."

U svojoj molekularnoj osnovi, polimeri su spojevi sačinjeni od dugih nizova molekularnih „blokova“ (monomera) koji se jedan do drugoga poput karika na lancu slažu u beskrajno ponavljajućem nizu. Poseban oblik polimera su elastomeri, kod kojih su takvi dugački lanci međusobno „umreženi“ poprečnim vezama (cross-link), što tim materijalima daje gumenasta, elastična svojstva. Štoviše, pravilnim odabirom laboratorijskih postupaka u procesu sintetiziranja, moguće je mijenjati količinu tih „umrežujućih veza“, što rezultira različitim stupnjevima uzajamne povezanosti lanaca, radi čega dobiveni polimerni materijal može posjedovati vrlo širok spektar čvrstoće i tvrdoće – od mekane gumenosti do vrlo tvrde građe.

Umrežavanje furanom i maleimidom

I ranijih su godina provođena istraživanja u kojima se pokušavalo (i u nekim slučajevima uspijevalo) manipulirati gustoćom poprečnih veza sintetičkih polimera, kako bi inače gumenasti elastomeri postali čvršći, pa su dobiveni polimeri čija je čvrstoća bila trajna i nepromjenjiva. Međutim, elastomer dizajniran suradnjom istraživača s A&M i američkih vojnih stručnjaka iznimno je fleksibilnih svojstava njegova čvrstoća nije fiksna, već se može dinamički mijenjati.

Dr. Sukhishvili tu karakteristiku njihovog polimera opisuje slikovito: "Poprečne veze između polimernih lanaca su poput šavova kojima se dijelovi tkanine povezuju u komad odjeće. Što više šavova imate, materijal će biti čvršći - i obrnuto: manje vezivnih šavova znači manju čvrstoću odjevnog predmeta. No mi nismo željeli da ti „šavovi“ koji drže na okupu polimerne lance budu trajni; željeli smo postići dinamično i reverzibilno umrežavanje kako bismo stvorili materijale čija se svojstava mogu precizno, kontrolirano i dinamički mijenjati. “

Kako bi to postigli, istraživači su se svoj fokus preusmjerili s polimernih lanaca na vrstu i svojstva poprečnih molekula koje te lance umrežavaju. Prvo su odabrali osnovni polimer (tzv. prepolimer), a zatim su kemijski povezali prepolimerne lance koristeći dvije vrste malih umrežavajućih molekula - furan i maleimid. Što je u prepolimer bio ugrađen veći broj umrežavajućih molekula, utoliko je dobiveni polimerni materijal bio čvršći. Najtvrđi polimer kojega su stvorili bio 1000 puta tvrđi od najmekšeg.

Grijanjem i hlađenjem do samoizlječenja

Međutim, furanske i maleimidne cross-linking veze imaju jedno svojstvo koje ih čini posebnima: reverzibilne su. Jednostavno rečeno, furanski i maleimidni parovi se mogu uzajamno „spojiti“ ili „otpojiti“ ovisno o temperaturi. Kad je temperatura dovoljno visoka, te se molekule odvajaju od polimernih lanaca, a materijali omekšavaju. Zauzvrat, na sobnoj temperaturi materijali stvrdnjavaju jer se ponovno formiraju poprečne veze među polimernim lancima.

No ono što je istraživače ponajviše iznenadilo je sposobnost furana i maleimida da se - i nakon potpunog prekida strukture materijala! - veze ipak mogu ponovo spojiti: kada se elastomerni materijal ošteti, dovoljno ga je kratko zagrijati, pa ohladiti -- „poderotina“ će se pri hlađenju na sobnu temperaturu u roku od nekoliko sekundi sama od sebe zatvoriti bez vidljivog „ožiljka“ i to do pune čvrstoće. Analizom molekularnih veza u elastomeru, istraživači su pokazali da se furan i maleimid automatski „kliknu“, zacjeljujući pukotinu koja je među njima nastala mehaničkim razdvajanjem. Pritom uopće nije bitno je li posrijedi temperatura zraka ili vode: polimeri "zarastaju" i pod vodom.

Temperature zagrijavanja pri kojima se mrežne veze među lancima „otpuštaju“ su identične za sve stupnjeve tvrdoće elastomernog materijala, što je od velike koristi za 3D-ispis korištenjem elastomernih materijala: bez obzira imaju li malen ili velik broj poprečnih veza, dakle bez obzira jesu li mekani ili tvrdi, svi furan-maleimidni elastomeri se mogu rastaliti na istoj temperaturi, a zatim koristiti kao ispisna tinta.

Pametni oklopi i umjetni udovi

"Pomoću naših elastomernih materijala uspjeli smo ispisati složene 3D objekte sloj po sloj korištenjem standardnog stolnog 3D-pisača ", rekao je dr. Frank Gardea, inženjer u američkom vojnom istraživačkom laboratoriju. "Specifičnost naših materijala je u tome što slojevi od kojih je ispisan 3D-objekt mogu biti vrlo različite krutosti i tvrdoće."

Kako se ispisani 3D-predmet hladi, različiti slojevi se sami od sebe neprimjetno spajaju, što isključuje potrebu za naknadnim očvršćivanjem ili bilo kojom drugom kemijskom obradom. Štoviše, 3D-otisnuti dijelovi zadržavaju svojstvo „samoizlječivosti“: ako su oštećeni, samo ih treba zagrijati pa će se pri ponovnom hlađenju „zakrpati“ sami od sebe i iznova oblikovati u početnu formu.

„Trenutno postižemo oko 80% samoizlječenja na sobnoj temperaturi, ali željeli bismo dostići svih 100%. Također želimo molekularne veze u našim materijalima dizajnirati tako da reagiraju na i druge fizikalne promjene osim na temperaturu; na primjer na svjetlo ili električne impulse", rekao je Gardea. „Još i više od toga: željeli bismo istražiti mogućnost primjene neke vrste niske razine autonomne inteligencije, kako bi ovi materijali 'znali' sami od sebe prilagoditi svoji čvrstoću, preoblikovati i samostalno se popraviti bez potrebe da korisnik pokrene taj proces.“