Développer des matériaux d'auto-guérison n'est pas nouveau pour Nancy Sottos, responsable du groupe Autonomous Materials Systems au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

S'inspirant des systèmes circulatoires biologiques, tels que les vaisseaux sanguins ou les feuilles d'un arbre, les chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign travaillent au développement de composites structuraux vascularisés depuis plus d'une décennie, créer des matériaux légers et capables d'auto-guérison et d'auto-refroidissement.

Mais maintenant, une équipe de chercheurs Beckman dirigée par Sottos et Mayank Garg, associé de recherche postdoctoral et auteur principal de la nouvelle publication Communication Nature papier, "Fabrication Rapide Synchronisée de Thermodurcissables et Composites Vascularisés, " ont raccourci un processus de fabrication de deux jours à environ deux minutes en exploitant la polymérisation frontale de résines facilement disponibles.

« Depuis plusieurs années, nous cherchons des moyens de réaliser des réseaux vasculaires dans des matériaux hautes performances, " dit Sottos, qui est également Swanlund Endowed Chair et chef du Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux à l'Illinois. "Il s'agit d'une véritable percée pour réaliser des réseaux vasculaires dans des matériaux de structure d'une manière qui permet de gagner beaucoup de temps et d'économiser beaucoup d'énergie."

Garg a déclaré que la façon la plus simple de comprendre leur travail est d'imaginer la composition d'une feuille avec ses canaux internes et ses réseaux structurels. Maintenant, imaginez que la feuille est faite d'un matériau structurel résistant ; à l'intérieur, le fluide s'écoule à travers différents becs et canaux de son système vasculaire interconnecté. Dans le cas des composites des chercheurs, le liquide est capable d'une variété de fonctions, comme le refroidissement ou le chauffage en réponse à des environnements extrêmes.

"Nous voulons créer ces structures réalistes, mais nous souhaitons également qu'ils maintiennent leurs performances sur des durées sensiblement plus longues par rapport aux infrastructures existantes en adoptant une approche que la biologie utilise de manière ubiquitaire, " Garg a déclaré. "Les arbres ont des réseaux pour transporter les nutriments et l'eau du sol contre la gravité et le transport de la nourriture synthétisée de la feuille au reste de l'arbre. Les fluides circulent dans les deux sens pour réguler la température, faire pousser du nouveau matériel, et réparer le matériel existant tout au long du cycle de vie de l'arbre. Nous essayons de reproduire ces fonctions dynamiques dans un système non biologique."

Cependant, la création de ces matériaux complexes a été historiquement une longue, processus intimidant pour le groupe Autonomous Materials Systems. Dans des recherches antérieures sur les matériaux auto-cicatrisants, les chercheurs avaient besoin d'un four chaud, vide, et au moins une journée pour créer les composites. Le long cycle de fabrication impliquait de durcir le matériau hôte et ensuite de brûler ou de vaporiser un modèle sacrificiel pour laisser un creux, réseaux vasculaires. Sottos a déclaré que ce dernier processus peut prendre 24 heures. Plus le réseau vasculaire est compliqué, plus il est difficile et long à retirer.

Pour créer les matériaux hôtes, les scientifiques optent pour la polymérisation frontale, un système de réaction-diffusion thermique qui utilise la génération et la diffusion de chaleur pour promouvoir simultanément deux réactions chimiques différentes. La chaleur est créée à l'intérieur pendant la solidification de l'hôte et la chaleur excédentaire déconstruit un modèle intégré en tandem pour fabriquer le matériau vasculaire. Cela signifie que les chercheurs sont en mesure de raccourcir le processus en combinant deux étapes en une seule, créer les réseaux vasculaires ainsi que le matériau hôte polymérisé sans étuve. En outre, le nouveau procédé permet aux chercheurs d'avoir plus de contrôle sur la création des réseaux, ce qui signifie que les matériaux pourraient avoir une complexité et une fonction accrues à l'avenir.