Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.
Romerne lagde selv-reparerende sement. Hvordan kan noen materialer fikse seg selv?
Du kan strekke, klemme eller skjære dem i stykker. Likevel finner de tilbake til den samme formen. Men hvordan?
Romerne brukte en form for selvhelende sement. De visste nok ikke hvorfor det fungerte så bra, men byggene de reiste står fremdeles i dag. Nå har forskere sett nøye på andre typer selvhelende materialer for å tilpasse dem til mange typer bruk.(Foto: Colourbox)
Selvhelende materialer finnes i flere varianter. Felles for dem er at de tåler mye.
Selvhelende polymerer kan for eksempel deles i to. Så kan du sette dem sammen, og materialet er like sterkt etter kort tid.
At slike materialer finnes, er ikke noe nytt. De gamle romerne lagde en form for sement med selvhelende egenskaper. Det gjør at romerske bygg har overlevd i nesten to tusen år, nettopp fordi små sprekker kan leges igjen.
Men selv om romerne laget en slags selvhelende sement, visste de neppe hvorfor det virket. Det har vært mantraet for mange selvhelende materialer: De virker, men hvorfor?
Hva er et selvhelende materiale?
Selvhelende materialer kan reparere seg selv etter at de er blitt skadet. Det er flere typer selvhelende materialer.
Materialet Lund har forsket på er en selvhelende polymer. Dette materialet er spesielt fordi det i tillegg til å være selvhelende, kan oppføre seg som en væske når det er under trykk. Ikke alle selvhelende materialer kan det.
I medisin kalles dette materialet for injiserbare hydrogeler.
Vi må forstå hva som skjer inne i materialet for å forbedre det
Reidar Lund, professor i polymerkjemi ved Universitetet i Oslo, forklarer hvorfor det er så viktig å forstå hva som skjer:
– Hvis vi kan forstå hva som skjer inne i materialet, på molekylær skala, er det lettere å tilpasse det til ulike formål, forklarer han.
Lund forteller at selvhelende polymerer brukes til medisinske formål i dag.
– Det går an å blande det med antibiotika og sprøyte det over et implantat. Dette fungerer fordi denne polymeren kan være i væskeform under trykk, og blir fast kort tid etter at den kommer ut, forklarer Lund.
Lund mener likevel at potensialet for bruk er større hvis vi vet hva som egentlig skjer inne i en polymer som blir delt i to eller revet i stykker.
Dette er en selvhelende polymer
Materialet Lund har forsket på består av en polymer, det vil si en kjede av atomer.
I hver ende er det en struktur som er hydrofob, som vil si at den avstøter vann.
De hydrofobe delene tiltrekkes av hverandre og frastøtes av den hydrofile kjeden i midten. Derfor vil kjedenes ender klumpe seg sammen. Det gjør materialet stabilt.
Det vanskelige, ifølge Lund, er å forstå dynamikken mellom strukturene.
– Vi kan måle viskositet, altså hvor flytende det er, men det er vanskelig å måle bevegelsene til selve molekylene inne i materialet, forklarer Lund.
Det er nemlig disse bevegelsene som bestemmer hvor raskt et materiale kan reparere seg selv.
Illustrasjonen viser hvordan det er mulig å se ulike deler av materialet med nøytronspredning avhengig av hvordan materialet merkes. Slik kan forskere se på ulike deler av strukturen i materialet. På venstre side ser du kjernene i materialet. De flytter lite på seg. På høyre side kan du se kjedene som beveger seg mellom kjernene.(Illustrasjon: Macromolecules 2025)
Nøytroner kan stilles inn som klokker for å se ulike ting
Annonse
For å finne ut av dette har Lund og kollegene hans brukt nøytroner. De har nemlig spinn i kjernen. Spinnet kan polariseres.
Enkelt forklart kan forskerne bruke magnetfelter til å stille inn spinnet, slik at det nesten virker som en klokke som forteller hvor fort molekylene beveger seg.
– Ved å bruke nøytroner kan vi plukke ut enkeltstrukturer som vi vil se på og se dem på en tids- og lengdeskala som er relevant. Det er snakk om noen få nanometer, sier Lund.
En nanometer er en milliarddels meter, det vil si en milliondels millimeter.
Ved å merke molekylene med stabile isotoper som deuterium, er det mulig å se struktur og bevegelse av forskjellige deler av materialet. Derfor er det mulig å se hva som skjer med kjedene og de hydrofobe endene hver for seg.
Hvorfor blir ikke et selvhelende materiale ødelagt?
Når du deler et materiale i to, om det er en planke, en brødskive, eller en geleklump, vil den ikke kunne finne sammen igjen.
De kjemiske bindingene er brutt og det er ikke mulig å få dem til å finne hverandre.
– Det er vanskelig å måle bevegelsene til selve molekylene inne i materialet, sier forsker Reidar Lund.(Foto: Elina Melteig)
Det som skjer i polymeren er derfor interessant. Det er ikke de kjemiske bindingene som brytes. Det er de fysiske. De fysiske bindingene er tiltrekningskraften mellom de hydrofobe endene. Denne bindingen er svakere og er lettere å ødelegge og å skape på nytt.
Når materialet presses sammen igjen, vil de hydrofobe endene tiltrekke seg hverandre.
Materialet finner tilbake til den gamle formen.
I tillegg så Lund noe annet:
Annonse
– Kulene, eller de hydrofobe delene, flytter lite på seg. Det er polymerene, kjedene, som beveger seg, forklarer han.
Materialet kan tilpasses flere funksjoner
Innsikten gjør at de kan endre materialets egenskaper på flere måter.
For eksempel vil det være mulig å gjøre kjedene lengre eller kortere for å påvirke hvor stivt, eller hardt, materialet skal være.
Det er mulig å blande det med andre ting, slik som antibiotika, med tanke på medisinske formål eller i anvendelser innenfor jordbruk.
Et hardt materiale vil også kunne brukes i strukturer som må vare, nettopp fordi de kan hele seg selv.
Slike strukturer vil kanskje kunne være reisverk for vev-regenerering eller eller til og med som fleksible materialer i bygningssammenheng.
ESS er et nytt kraftig laboratorium som åpnes i 2026 i Sverige. ESS kan brukes til å studere struktur og egenskaper på atom- og molekylært nivå. Det er avgjørende for utviklingen av polymerer og nye materialer.
Nøytroner kan brukes til å undersøke biologiske molekyler, proteiner og biomaterialer som er viktig for medisin og farmakologi. De kan også brukes til å studere kjemiske reaksjoner og mekanismer. Forskning på energi- og miljøteknologier, som batterier, katalysatorer og materialer for energilagring, drar også nytte av nøytroner.
