Self-Healing Materials: un futuro sempre più… intelligente!

A cura di Dario Dave De Lorenzo

Appartengono alla categoria degli “smart materials” (materiali intelligenti), in grado di ripararsi autonomamente. Lo scopo è limitare il più possibile l’intervento di riparazione in termini di costi e tempistiche, prolungando la durata e le proprietà dei materiali in questione. 

I sistemi di self-healing sono stati introdotti in strutture di resina epossidica, già comunemente usata in campo aerospaziale e aeronautico in materiali compositi per fusoliere o per altre parti meccaniche. Per i rivestimenti delle fusoliere, in particolare, sono stati usati materiali polimerici in grado di auto-ripararsi senza la richiesta di un intervento manuale, a seguito della formazione di cricche superficiali (possibile causa di danni e diminuzione di proprietà meccaniche del componente stesso). 

APPLICAZIONI 

I materiali auto-riparanti sono già stati sviluppati e sperimentati per l’asfalto aggiungendo alla normale miscela di conglomerato bitumoso il nanosilice e il copolimero stirene-butadine-stirene. Il nanosilice funge da catalizzatore in grado di accelerare i moti casuali delle molecole bitumose e dirigerle verso le microfratture, mentre lo stirene-butadine-stirene (SBS) favorisce una maggiore durata della resistenza meccanica e chimica. 

Il campo di applicazione di tali materiali si estende anche nel settore robotico e automobilistico dove questi vengono utilizzati per rinforzare i rivestimenti. In campo astronautico l’autoriparazione dei rivestimenti è essenziale per assicurare la giusta pressurizzazione della cabina se questa subisce un danno a seguito dell’impatto con la spazzatura spaziale. In campo aeronautico si sta sviluppando il progetto HIPOCRATES basato sull’installazione di polimeri termoindurenti (resine epossidiche), già ampiamente utilizzati, incorporandoli negli attuali metodi di produzione. In questo caso si usano dei rivestimenti con microcapsule contenenti gli agenti self-healing in grado di auto-riparare il materiale nel quale sono contenuti se ricevono uno stimolo esterno quale calore, radiazione o elettrostimolazione. 

COME FUNZIONANO 

Esistono due meccanismi di riparazione: autonomo e non autonomo. 

• Quello autonomo è un meccanismo che esclude totalmente l’intervento umano o di un trigger esterno. Se avvengono delle lesioni ad un rivestimento, al cui interno sono presenti delle microcapsule o canali vascolari, collassando, permettono la fuoriuscita dei materiali colloidali garantendo l’autoriparazione. Riparazione che avviene, autonomamente, al rilascio del materiale auto-riparante in maniera del tutto spontanea. 

• Il meccanismo non autonomo è ritenuto ugualmente una tecnica di self-healing perché esclude anch’esso l’intervento diretto. Tale meccanismo è attivato, però, da stimoli esterni (meccanici, termodinamici, fotoelettrici ed elettromagnetici) in grado di guidare l’auto-riparazione del materiale. È un meccanismo di autoriparazione persino superiore rispetto a quello autonomo perché applicabile ad una gamma maggiore di rivestimenti organici, oltre a poter essere utilizzati per rivestimenti trasparenti. 

Entrambi i meccanismi hanno la possibilità di essere ripetuti, ma si deve tener conto che ad ogni iterazione diminuisce la quantità di materiale auto-riparante rilasciato. In casi specifici, il processo è addirittura chimicamente reversibile (se questo è fondato sulla reversibilità di legami di tipo fisico). Anche in questo caso, ad ogni iterazione, la reversibilità del legame non è detto che risulti efficace. 

Molti di questi sistemi sono stati progettati prendendo spunto dal mondo biologico come avviene per la rigenerazione dei tessuti. Che questi materiali rappresentino il futuro è certo, ci accompagneranno nella nostra quotidianità. 

Si ringrazia Giulia Leone per la collaborazione

FONTI 

International Journal of Pavement Engineering. Application of nano-silica and styrene-butadiene-styrene to improve asphalt mixture self-healing. 

cordis.europa.eu. HIPOCRATES — Risultato in breve. 

Progress in Organic Coatings. Thermally reversible polymer networks for scratch resistance and scratch healing in automotive clear coats