Все мы знаем, как удобны эпоксидные смолы и прочие композитные клеи. Они отлично склеивают дерево, металл и бетон, заполняют любые щели. Но есть у них одна противная черта: если уж состав застыл, то всё — намертво. Разрубить разве что можно. Однако, похоже, ученые нашли способ обойти это ограничение.

Исследователи из Лаборатории Беркли при Министерстве энергетики США придумали простой полимер, который ведет себя как обычный наполнитель — он прочный и надежный, но в нужный момент его можно попросту растворить. Представьте себе запутанный клубок ниток. Обычно, чем сильнее дергаешь, тем крепче он затягивается. Но если знать хитрость, можно потянуть за нужную ниточку, и клубок распустится в отдельные волокна.

В журнале Advanced Materials вышла статья, где подробно описан новый подход к созданию материалов. Вместо того чтобы сшивать молекулы прочными химическими связями (как это делается в эпоксидке), ученые научились заставлять их переплетаться. Такое переплетение — вещь условная, обратимая. Как объяснила Тинг Сюй, один из ведущих авторов работы, это не просто улучшение старого рецепта, а принципиально иной взгляд на отверждение материалов.

Раньше, чтобы сделать полимер крепким, шли двумя путями. Либо добавляли отвердитель, который намертво сшивал молекулярные цепочки. Либо брали очень длинные цепи, и они сами по себе так перепутывались, что расцепить их было невозможно. Второй путь и показался ученым самым интересным — ведь если цепи просто перепутаны, теоретически их можно и распутать. Сюй сравнивает это с белками в природе: они складываются в сложные прочные структуры, не образуя лишних химических связей, а потом могут развернуться обратно.

Команда решила пойти дальше и поработать с простым полистиролом. Задача стояла так: взять цепочки, спутать их в прочную и стабильную конструкцию, а затем вернуть всё в исходное состояние. Представьте тот же клубок ниток, только в полном беспорядке. Кажется, что распутать его невозможно, но если как следует «поиграть» с нитками, можно найти способ.

Для этого ученые прикрепили цепочки полистирола к крошечным шарикам из кремнезема (диаметром в сотни нанометров). Получились такие «лохматые» частицы. Из этих частиц собрали структуру, похожую на кристалл. Внутри нее между шариками образовались пустоты разной формы, куда и отправились полистирольные „волоски“. В зависимости от того, в каком закутке оказывалась цепочка, ей приходилось по-разному переплетаться с соседями.

Заперев полимерные цепи в таких тесных и разных по геометрии пространствах, ученые ограничили их подвижность. А значит, они смогли управлять степенью запутанности. И тут выяснилась любопытная вещь: в некоторых случаях, когда материал начинали сжимать или тянуть, определенные группы цепочек не сцеплялись еще сильнее, а наоборот — распускались, ослабляя напряжение.

Как говорит Тинг Сюй, степень переплетения частиц напрямую диктует, как материал отреагирует на внешнюю силу. Подбирая длину цепочек и количество «волосков» на каждой грани кремниевой частицы, можно настраивать поведение материала. Так и родились эти псевдосвязи, основанные на запутывании, а не на химии.

Микроскопы показали занятную картину: одни цепи под нагрузкой становились жесткими, а другие в это же время распутывались и вытягивались, гася напряжение. В итоге получилась прочная и эластичная тонкая пленка, которую держат вместе только перепутанные полистирольные нити. А когда к наночастицам добавили еще немного свободного полистирола, прочность пленки подскочила еще на половину.

Нам наконец удалось подчинить себе аморфные полимеры, — радуется Сюй. — Раньше они перепутывались как попало, а белки складывались красиво и упорядоченно. Теперь мы нащупали ту золотую середину, где можно управлять структурой.

А самое приятное: капнул растворителем, помешал — и композит распался обратно на частицы и полимер. Никаких химических связей рвать не пришлось, материал готов к переработке.

Ученые уверены, что их метод подойдет не только для полистирола. Полистирол — дешевый и распространенный полимер, кремнезем — тоже копейки. Но можно взять и другие частицы, например, с магнитными или оптическими свойствами, и создавать умные композиты для электроники. Главное, что теперь можно добиваться прочности и твердости, просто по-разному распределяя полимеры в пространстве.

Мы привыкли, что прочность достигается либо сшивкой (необратимо), либо наполнителями. Здесь же прочность возникает из-за топологии — того, как именно запутаны цепи в ограниченном пространстве.

Польза для науки колоссальная. Мы получаем инструмент для изучения поведения полимеров в наноловушках. Это как посмотреть на змею не в пустыне, а в ящике с перегородками — сразу видно, как она изгибается. Раньше мы не могли точно контролировать степень запутывания аморфных полимеров, они вели себя как попало. Теперь у нас есть «расческа», которой можно причесать эти цепи.

Для реальной жизни выгода еще очевиднее. Представьте авиастроение или ветряки. Лопасти, корпуса, детали делают из композитов. Они легкие и прочные, но если деталь сломалась или отслужила свое, что с ней делать? Сжечь нельзя — ядовито, переплавить нельзя — связующее (эпоксидка) не плавится. Огромные лопасти ветряков закапывают в землю, потому что разделить армирующее волокно и застывшую смолу практически невозможно.

А тут мы получаем композит, который можно «разобрать» обратно на запчасти. Залил растворитель — и отдельно у тебя чистое волокно, отдельно — полимер. Это же мечта для рециклинга! Можно делать „умную“ упаковку, которая распадется по команде. Можно создавать термоинтерфейсы для микроэлектроники, которые легко снять и заменить, не повредив микрочип. Или медицинские импланты, которые рассасываются именно тогда, когда нужно, а не когда придется. Сфера огромна — от скотча до космоса.

Однако, если рассматривать эту публикацию с позиции внедрения в промышленность, есть ряд серьезных «но».

• Во-первых, все результаты получены в идеальных лабораторных условиях на тонких пленках. Реальные изделия — это объемные конструкции толщиной в сантиметры, и здесь принцип «распутывания» может дать сбой. В глубине материала распределение напряжений и доступ растворителя будут совсем иными. Сможет ли клубок распутаться, если он находится в центре толстой плиты?
• Во-вторых, вызывает вопросы долговременная стабильность этих псевдосвязей. Полимерные цепочки даже в запертом состоянии склонны к медленной релаксации — ползучести. Со временем материал может «потечь» под нагрузкой, чего не случается с классическими термореактивными смолами с их прочными химическими связями. Авторы умалчивают о том, как поведут себя эти псевдосвязи через год или пять лет эксплуатации.
• И наконец, селективность растворения. Чтобы распустить композит, предлагается использовать растворитель. Но как гарантировать, что в реальных условиях (например, на складе или при контакте с техническими жидкостями) растворитель не попадет на изделие раньше времени? Или наоборот — как быстро и полно растворитель проникнет вглубь, если изделие покрыто краской или загрязнено? Это пока красивая лабораторная сказка, до настоящего производства здесь как до Луны пешком.

Ранее ученые разработали новую смолу для трехмерной печати.