Samonaprawiająca się elektronika jest bliżej niż sądzisz

O regeneracji uszkodzonych narządów ciała, póki co nie ma co marzyć. Technikę tę posiadł niejaki Wolverine, ale do dziś nie chce jej nikomu wyznać. Zgoła odmienna sytuacja ma miejsce w elektronice. Wkrótce rysy na ekranie smartfona czy mikropęknięcia w obudowie laptopa naprawią się same.

Niezależnie od tego, jak bardzo uważać będziemy, każdemu użytkownikowi prędzej czy później przytrafi się jakaś usterka. Analizując różnego rodzaju dodatkowe pakiety ubezpieczenia oferowane przez coraz większą ilość sprzedających, widać, że coś jest na rzeczy. Ubezpieczenie „na życie” telefonu czy tabletu jest o tyle istotne, że w przypadku jego uszkodzenia, naprawa lub wymiana na nowy nie pozbawia nas fortuny. Wiele usterek smartfonów, tabletów czy laptopów to drobne uszkodzenia nie ograniczające funkcjonalności samego urządzenia. Porysowany ekran, pęknięta obudowa czy odkształcona klawiatura, to defekty, z którymi można żyć (korzystać ze sprzętu), ale estetę będą raziły po oczach. Dlaczego zatem nie zainwestować w materiały, które – w razie potrzeby – będą same się regenerować?

Samochodowe wzorce

Przy wyborze najlepszych materiałów, producenci elektroniki mogą czerpać z bogatej skarbnicy doświadczeń gigantów motoryzacyjnych. Nad samoregenerującymi się tworzywami już od dłuższego czasu pracują firmy z branży motoryzacyjnej, bo przecież samochód, którego karoseria w cudowny sposób odbuduje się po wypadku, byłby rynkowym hitem. W 2013 r. naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego, specjaliści z firmy Advanced Soft Materials i Nissan opracowali Scratch Shield – innowacyjną obudowę do iPhone’a, która sama usuwa zarysowania.

• Zobacz również | Czy warto kupić samochód elektryczny?

Nie jest to żadna magia, a coś, co w motoryzacji jest dosyć popularne – specjalna farba samochodowa o niezwykłych właściwościach. Taki bezbarwny lakier nakłada się na uprzednio pomalowany samochód, dzięki czemu w przypadku zadrapania karoserii, jej regeneracja (w pewnym zakresie) zachodzi automatycznie. W przypadku uszkodzenia, a więc zadziałania siłą zewnętrzną, lakier kurczy się i absorbuje energię, po czym powoli rozszerza się i wraca do stanu początkowego. Dzięki temu, niewielkie zadrapania znikają samoistnie po kilku godzinach, a na zniwelowanie większych potrzeba dni. Scratch Shield działa na podobnej zasadzie. Obudowę wykonano z kopolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego, który jest szczególnie wytrzymały. Scratch Shield niebawem trafi do sprzedaży, a Nissan już teraz planuje stworzenie wersji obudowy na inne smartfony.

Ponieważ w smartfonach to ekran jest elementem najbardziej podatnym na zarysowania, producenci telefonów komórkowych starają się problem ten obejść. Montaż powłok Gorilla Glass to tylko jedna z opcji. Już teraz na rynku są dostępne specjalne folie ochronne na ekrany, które regenerują niewielkie zadrapania. Znajdziemy je m.in. w ofercie firmy Scosche, której recoverSkin bardzo dobrze sprzedaje się na całym świecie. Folia Schosche usuwa niewielkie rysy w zaledwie kilka sekund. Niestety, w przypadku większych lub też głębszych zarysowań, rozwiązanie to jest mało skuteczne. Warto dodać, że takie samoprzylepne, wymienne folie nie uchronią ekranu przed roztrzaskaniem w wyniku upadku, a chyba tego wszyscy obawiamy się najbardziej.

Wysokie loty

Poza firmami z branży motoryzacyjnej, pionierami w dziedzinie nowych materiałów są konstruktorzy samolotów i statków kosmicznych. Nic dziwnego, że w poszukiwaniu samonaprawiających się tworzyw, warto odwiedzić inżynierów Boeinga, Lockheed Martin czy Airbusa. Zastosowanie zjawiska autoregeneracji w samolotach i statkach kosmicznych jest o tyle istotne, że w przypadku uszkodzenia poszycia kadłuba, na dużych wysokościach nie można nic zrobić. Często takie incydenty kończą się tylko strachem, ale historia lotnictwa i lotów kosmicznych znają przypadki, w których to niewielki otwór w kadłubie wyrządził ogromne szkody.

• Zobacz również | Technologie, które zrewolucjonizują rynek

Inżynierowie opracowujący nowe materiały do samolotów muszą być niezwykle precyzyjni, bo czasami szczelina grubości ludzkiego włosa, może doprowadzić do katastrofy. Zastosowanie samonaprawiających się tworzyw wydaje się tu nader zasadne. Tuż po 2000 r. NASA wyodrębniła specjalną komórkę badawczą, której celem jest zastosowanie mechanizmów biologicznej regeneracji w środowisku tworzyw sztucznych. Dzięki niej, już teraz w lotnictwie wojskowym i cywilnym stosuje się materiały oparte o nanotechnologię, które w inteligentny sposób rozpoznają uszkodzenie i doprowadzają do jego eliminacji. To nie wszystko, kadłub samolotu coraz częściej pokrywa się dodatkową warstwę składającego się z włókien zawierających specjalne mikrokapsułki wypełnione płynem, którym najczęściej jest żywica epoksydowa. W przypadku uszkodzenia materiału, kapsułki pękają, a żywica rozlewa się po nierównościach wypełniając tym samym ubytki.

Niestety, stosowane obecnie materiały nie są idealne. Najpoważniejszym minusem wielu zaawansowanych tworzyw jest fakt, że często uaktywniają się one nie tylko w momencie faktycznego uszkodzenia. A substancje płynne – jak wspomniana wcześniej żywica – nie mogą twardnieć zbyt łatwo. W przeciwnym razie, uwięzione w mikrokapsułkach, nie wydostaną się one w razie potrzeby. Dlatego właśnie, do aktywacji procesu autoregeneracji niezbędny jest katalizator, popularnie nazywany przez inżynierów… agentem. Służy on tylko do stabilizacji reakcji chemicznej, więc nie zmienia jej przebiegu. W przypadku wspomnianych mikrokapsułek, uszkodzona ciągłość tworzywa powoduje ich otworzenie i wylanie zawartości. Gdy żywica spotka się z metalicznym rutenem, dochodzi do inicjacji polimeryzacji Dopiero wtedy dochodzi do regeneracji materiału.

Inną opcją jest wykorzystanie promieniowania UV jako katalizatora. Duże postępy w tej materii poczynili naukowcy z Uniwersytetu we Fryburgu, którzy stworzyli polimer metalosupramolekularny. Jest to tworzywo z jonami metalu, które szybko rozgrzewa się po wystawieniu na działanie promieni ultrafioletowych. Niestety, minusem jest tu czas potrzebny do przeprowadzenia reakcji – aż kilka godzin, które w przypadku uszkodzeń samolotów, jest czasem za długim. Przełożenie tych badań na pole elektroniki konsumenckiej daje nam natomiast bardzo ciekawe rezultaty. Chyba nikt nie miałby nic przeciwko, by poczekać kilka długich godzin, by obudowa jego gadżetu zregenerowała się, a dzięki temu mieć produkt jak dopiero co wyjęty z pudełka.

Inspirująca biologia

Użycie nanokapsułek do naprawy uszkodzonych materiałów to pomysł dobry, ale nie do końca praktyczny. Takie kapsułki są bowiem jednorazowe i po jednokrotnym użyciu, całą powierzchnię tworzywa lub przynajmniej zużyty fragment należałoby wymienić. Część naukowców uważa, że dzięki obserwacji układu krwionośnego, tego problemu można łatwo się pozbyć. Kapsułki należałoby jednak wymienić na bardzo cienkie, o przekroju ludzkiego włosa lub jeszcze cieńsze, mikronaczynia. Sieć oplatająca cały materiał byłaby stale zasilana w żywicę lub inny płynny materiał umożliwiający regenerację. W przypadku uszkodzenia, płyn wylewałby się miejscowo i zasklepiał nieszczelność. Podobny mechanizm działa u człowieka w przypadku zwykłego skaleczenia. Aby krew nie wylewała się, angażowane są komórki, które tworzą skrzep i zasklepiają ranę. Inspiracja biologią to chyba najlepsza, jaka może być, z prostego powodu: została już przetestowana w praktyce.

• Zobacz również | 10 technologii, w które nie uwierzysz

Miną jeszcze całe dekady zanim z samonaprawiających się materiałów będą powstawać samochody, samoloty czy statki. O wiele szybciej, innowacyjne materiały zaobserwujemy w elektronice użytkowej codziennego użytku. Zastosowanie ich w obudowach smartfonów, tabletów czy laptopów jest coraz bliższe, a co z pozostałymi częściami? Bardzo przydatne wydaje się zastosowanie mikrokapsułek z płynnym metalem w układach scalonych. Gdy dojdzie w nich np. do uszkodzenia połączeń między tranzystorami, kapsułka wyleje swoją zawartość i stwardnieje, tworząc coś na kształt syntetycznego skrzepu. Przywróci to przewodnictwo elektryczne, dzięki czemu produkt nadal będzie mógł działać. Takie rozwiązanie wydaje się idealne, także dla użytkowników komputerów osobistych. Dlaczego zatem inteligentnych, samonaprawiających się materiałów nie ma jeszcze na rynku?

Może mieć to dwie skrajnie różne przyczyny. Winny może być brak opłacalnej technologii do stworzenia samonaprawiających się materiałów. Te, które już teraz istnieją mogą być kosztowne i trudne do implementacji w skali przemysłowej. A przecież konsumentom nie chodzi o to, by superwytrzymały smartfon miało wojsko, tylko przeciętny Kowalski. Wbrew pozorom, opłacalność jest tym czynnikiem, który wstrzymuje postęp w wielu dziedzinach życia.

Inny powód, dla którego autoregeneracja nie znalazła jeszcze zastosowania w elektronice użytkowej, jest bardziej prozaiczny. Być może największym producentom tak naprawdę nie zależy na tworzeniu trwałych gadżetów, a już na pewno nie takich, których nie trzeba by co kilka lat wymieniać. Zużycie materiału jest na stałe wpisane w proces konsumpcji dóbr, jakie by one nie były i dla wielu firm jest dźwignią handlu. Gdyby wszyscy z nas mieli niezniszczalne smartfony, których obudowy zregenerują się w przypadku uszkodzenia, to kto chciałby kupić nowy?

Zainteresował Cię artykuł? Zobacz też inne maniaKalne felietony.