Zdolności samonaprawy, jakie posiada ludzka skóra, od wielu wieków zadziwiają naukowców. Badacze z Instytutu Maxa Plancka postawili sobie ambitny cel – otrzymać powłokę antykorozyjną, której mechanizm samozasklepiania się będzie dorównywał temu zadziwiającemu wytworowi naszego ciała. Z pomocą przyszła im chemia polimerów i nanotechnologia.
Fot. dlritter (sxc.hu)
Dla powłoki antykorozyjnej każda rysa czy spękanie może być początkiem katastrofy – niechroniony fragment podłoża jest podatny na atak jonów z zewnątrz, przez co korozja rozwija się niemal natychmiast. Powodzenie w walce z korozją nie zależy więc tylko od skutecznych dodatków antykorozyjnych, ale i trwałości powłoki lub jej zdolności samonaprawy. Powłoka gojąca się jak ludzka skóra? Byłby to oczywiście wielki przełom, ale czy jest to w ogóle możliwe?
Sprytne kapsułki
Pomysł naukowców polegał na zastosowaniu polimerowych nanokapsułkek z polianiliny, w których zamknięty został środek antykorozyjny. Na powierzchni kapsułek naukowcy umieścili nanocząstki metalu, tak aby jako składnik powłoki mogły się one kontaktować z metalicznym podłożem. Gotową warstwę ochronną przetestowano nanosząc na odsłonięte w wyniku spękań miejsca kilka kropel słonej wody, która w normalnych warunkach natychmiast inicjuje korozję. W tym przypadku jednak tak się nie stało – procesy korozyjne zostały wstrzymane, ponieważ w ścianach polimerowych kapsułek utworzyły się pory, przez które środek antykorozyjny wydostał się na zewnątrz i zapobiegł niszczącym zmianom.
Uwolnienie środka antykorozyjnego z kapsułek nie następuje jednak magicznie samo z siebie – wymagają one pewnego sygnału zewnętrznego. Może być to ich mechaniczne uszkodzenie w przypadku pęknięcia lub zadrapania powłoki, może być to także wzrost pH towarzyszący rozwojowi korozji. Badacze z Max Planck Institut proponują jednak jeszcze inną drogę – sygnał elektrochemiczny.
„Gdy rozpoczyna się proces korozyjny, potencjał elektrochemiczny zawsze spada. Jest to więc niezawodny sygnał dla kapsułek, że czas zacząć działać” – tłumaczy Michael Rohwerder, szef zespołu badawczego pracującego nad tą nową technologią. Kapsułki otrzymują informację o potencjale, kontaktując się za pośrednictwem nanocząstek metalu na swej powierzchni z podłożem. Tą samą drogą dociera do nich później informacja o zatrzymaniu korozji – sygnał, że mogą się zregenerować.
W tym samym eksperymencie naukowcy wypróbowali kapsułki zawierające związek inicjujący polimeryzację, dzięki któremu dochodzi do zasklepiania („gojenia się”) uszkodzonej powłoki. Naukowcy nie przetestowali jeszcze co prawda tego rozwiązania w naturalnych warunkach korozyjnych, ale uzyskali bardzo dobre wyniki w warunkach symulowanych.
Problemy i trudności
Cały eksperyment był bardzo skomplikowany i pracochłonny. Pierwsze trudności pojawiły się już na poziomie tworzenia nanokapsułek. Aby je otrzymać, potrzebna była miniemulsja – drobne krople tłuszczu idealnie rozproszone w roztworze wodnym. To one stanowiły szkielet, na powierzchni którego zachodziła polimeryzacja i formowały się kapsułki. Bardzo trudne było jednak utrzymanie tłuszczu w stanie idealnego rozproszenia, ponieważ naturalnie skupia się on w agregaty.
Prócz tego na każdym etapie badań trzeba było sprawdzać, czy zawartość kapsułek jest na pewno uwalniania tylko wtedy, kiedy trzeba. Dlatego naukowcy wielokrotnie izolowali kapsułki i badali przy pomocy spektroskopii NMR, sprawdzając, czy ilość substancji wewnątrz nie zmieniła się.
Co dalej?
Dotychczas kapsułki ze środkiem antykorozyjnym i kapsułki ze związkiem inicjującym odbudowę powłoki były badane osobno. Najważniejszym obecnie celem badaczy jest zamknięcie obydwu rodzajów substancji w jednej kapsułce, co może być sporym wyzwaniem.
Dlaczego to tak ważne? Tylko zastosowanie równocześnie obydwu związków zapewni skuteczną ochronę podłoża. Zupełnie analogicznie jak w procesie gojenia się rany – najpierw działają cząstki antykorozyjne, co porównać możemy do fazy oczyszczenia rany z bakterii powstania tymczasowego ochronnego skrzepu. W drugim etapie do akcji wkracza związek polimeryzujący, który zasklepia uszkodzoną powłokę tak jak biologiczne czynniki odbudowujące żywą tkankę. Widać stąd, że ani sam środek antykorozyjny, ani sam związek inicjujący naprawę nie poradzą sobie same – w przypadku pierwszym powłoka będzie wciąż uszkodzona i narażona na ataki z zewnątrz, w przypadku drugim nie będzie mogła się skutecznie bronić przed korozją.
Prócz tego największego wyzwania jest jeszcze kilka mniejszych. Potrzebne są na przykład środki antykorozyjne tak skuteczne jak zabronione obecnie chromiany. Zwiększona musi być również szybkość całego procesu. Obecnie działanie cząsteczek antykorozyjnych jest zbyt wolne, ponieważ są one słabo rozpuszczalne w wodzie – woda zaś najczęściej bierze aktywny udział w procesach korozyjnych.
Jak widać, jest więc jeszcze dużo do zrobienia. Koncepcja powłoki antykorozyjnej odbudowującej się na wzór ludzkiej skóry potężnie oddziałuje jednak na wyobraźnię. I na pewno jest to gra warta świeczki.
Źródło: european-coatings.com
