توسعه در خود شفابخش برای زندگی گسترده

غشای خود شفا نشان دهنده پیشرفت تحول در مهندسی مواد، ارائه توانایی به طور خودکار تعمیر آسیب فیزیکی مانند ترک، سوراخ ها، یا میکرو شکاف ها است. برخلاف غشای های معمولی که به طور برگشت ناپذیری، این مواد هوشمند عملکرد مانع و یکپارچگی مکانیکی خود را بدون مداخله دستی بازسازی می کنند، این توانایی به طور چشمگیری زندگی عملیاتی را در سراسر طیف وسیعی از انرژی صنعتی، و کاربردهای زیست محیطی، و کاهش هزینه های تعمیر و تعمیر و تعمیر و تعمیر و تعمیر و نگهداری سریع در سال های زیست محیطی گسترش می دهد.

چه چیزی در خود-حاشی است؟

غشای خود شفابخش به طور انتخابی قابل اعتماد یا مواد مانع مهندسی شده برای بازیابی از آسیب به طور خودکار است، آنها بر مکانیسم های شفا جاسازی شده تکیه می کنند که هنگامی که غشای به خطر می افتد فعال می شوند. دو استراتژی اولیه بیرونی و ذاتی خود شفا بخش هستند. سیستم های غشایی از عوامل جداگانه ای که در میکروکپسها ذخیره می شوند، فیبرهای توخالی، و یا شبکه های عروقی که از تخریب شیمیایی جلوگیری می کنند، استفاده از پیوندهای مخرب.

این مفهوم الهام بخش سیستم های بیولوژیکی –کین، خون و برش های گیاهی – و با غشای مصنوعی برای درمان آب، دستگاه های انعقاد انرژی و پوشش های محافظ سازگار شده است.چالش در دستیابی به سریع، تکرار پذیر و بهبود قوی بدون به خطر انداختن خواص اصلی غشایی مانند هرمability، انتخاب، یا قدرت مکانیکی است.

توسعه های اخیر در تکنولوژی خود-Healing

تحقیقات اخیر بر بهبود کارایی، سرعت و دوام بهبود یافته است. نوآوری های کلیدی شامل سیستم های مبتنی بر میکروکپسول، پلیمر های خود شفا بخش ذاتی و ادغام نانومواد است.

سیستم های درمانی مبتنی بر Microcapsule

سیستم های مبتنی بر میکروکپس یکی از روش های مورد مطالعه ی ایلینوی (معمولاً ۱-۱۰۰ μm) حاوی عوامل شفا دهنده مایع هستند – مانند مونومرها، کاتالیزورها یا حلالها – در داخل غشایی قرار می گیرند: هنگامی که یک شکاف پراکنده می شود، کپسول ها را پاره می کند، آزاد کردن عامل درمان Cap Actionoral به مثال شکستن پلیمر (F پیش بینی قوی مواد شیمیایی) می کند، و یا آسیب های شیمیایی جامد را بهبود می دهد.

درون خود-شریکه های خود-Healing polymers

مواد خود شفابخش وابسته به تعاملات شیمیایی برگشت پذیر - مانند پیوند هیدروژن، هماهنگی فلز و هماهنگی، تبادل گوگرد، یا واکنش های خزنده Diels-Alder - اجازه دادن به بهبودی مکرر بدون دفع عوامل مکانیکی جاسازی شده - این پلیمرها می توانند چرخه های متعدد آسیب، یک مزیت عمده بیش از سیستم های میکروککل قابل توجه یک شات، به عنوان مثال توسعه قوی (Fox) را در سیستم های کششی پویا (Fox) نشان می دهد.

ادغام تکنولوژی نانو

نانومواد (از جمله اکسید گرافن، نانولوله های کربنی، نانوذرات سیلیکا و نانوسلولوز) برای افزایش سرعت شفا، قدرت مکانیکی و خواص عملکردی گنجانیده شده اند.برای مثال، کک های اکسید گرافن (Nolit3) می توانند به عنوان "مواد چند منظوره" با مهاجرت به ترک ها و دفع آنها از طریق تعاملات π-π عمل کنند.

برنامه ها و مزایای در سراسر صنایع

توانایی خودآشایی زندگی مفید غشاها را در محیط های تقاضا گسترش می دهد.در زیر مناطق کلیدی کاربرد هستند که هر کدام دارای مزایای متمایز هستند.

سیستم های تصفیه آب

فیلتراسیون حرارتی (osmosis، نانوتفاتاسیون، فوق العاده (تفض) برای درمان نمک زدایی و فاضلاب حیاتی است، با این حال، غشایها از خطا، مقیاس و آسیب مکانیکی رنج می برند که عملکرد را کاهش می دهد و نیاز به جایگزینی پر هزینه دارد: غشای خود-LT می تواند هزینه های میکروارگانیسم های ناشی از نوسانات فشار یا چرخه های تمیز کردن، حفظ نرخ های رد و شار، را تعمیر کند (به ویژه آسیب های برش مواد شیمیایی).

سلول های سوخت و باتری

غشای الکترولیت پلیمر (PEMs) در سلول های سوختی مستعد تخریب شیمیایی و خستگی مکانیکی هستند. خود شفا PEMs می تواند زندگی چرخه را به طور قابل توجهی گسترش دهد. محققان پلی سولفوریزه شده (ether katne) غشای با پیوندهای ناهماهنگی پویا که اصلاح زنجیره ای رادیکال القا شده است، به طور مشابه در باتری های لیتیوم، جداکننده خود را توسعه داده اند (تحریک سازی شده توسط پلی اف)

پوشش های حفاظتی برای زیرساخت ها

لایه های مورد استفاده به عنوان پوشش های محافظ برای پل ها، خطوط لوله و ساختارهای دریایی (در معرض abrasion، اشعه UV و دوچرخه سواری درجه حرارت قرار می گیرند. پوشش های خود شفا دهنده حاوی میکروکپسول ها با مهار کننده های خوردگی یا رزین های مقاوم در برابر UVLT می توانند به طور خودکار خراش ها را مجدداً موم کنند، جلوگیری از زنگ و توهم، به عنوان مثال، یک پوشش دو لایه با پوشش بالا خود ایمنی (F تسریع شده در 300٪ از عمر).

سنسور های زیست محیطی

سنسورهای مبتنی بر نور برای تشخیص گاز، نظارت بر pH یا ردیابی گرده[۵] اغلب در شرایط سخت کار می کنند. آسیب به غشای می تواند باعث حرکت سیگنال یا شکست شود. غشای ترمیمی خود طول سنسور و اطمینان در شبکه های نظارت از راه دور محیط زیست را تضمین می کند. نمونه اخیر از یک غشای پلیمری خود شفابخش برای یک سنسور دی اکسید کربن استفاده کرد که دقت پس از استرس مکانیکی تکراری حفظ شده ([۱۰: [۱۰]

مزایای کلیدی خود-Healing

مزایای اولیه اجرای تکنولوژی خود درمانی شامل:

طول عمر مطلوب: تعمیر خودکار آسیب های جزئی مانع از شکست تدریجی، دو برابر یا زندگی خدمات سه گانه در آزمایشات میدانی.
هزینه های نگهداری کاهش یافته: بازرسی های دستی کمتر و جایگزینی هزینه های عملیاتی را کاهش می دهد، به ویژه در مکان های غیر قابل دسترس (به عنوان مثال، زیر آب یا تاسیسات با ارتفاع بالا).
ایمنی ایمنی مقاوم: غشای خود شفا بخش از نشت مواد خطرناک در سیستم های شیمیایی یا انرژی جلوگیری می کند، کاهش خطر آتش سوزی، انتشار سمی یا انفجار.
پایداری بهبود یافته: غشای طولانی مدت، زباله های مواد و مصرف انرژی مرتبط با تولید و دفع را کاهش می دهد.
افزایش قابلیت اطمینان: سیستم ها می توانند حتی پس از آسیب، به عمل خود ادامه دهند، و از خاموش شدن های غیر منظم اجتناب کنند.

چالش ها و محدودیت های فعلی

علی رغم پیشرفت های امیدوار کننده، چندین مانع باید برای پذیرش گسترده تجاری غلبه کنند:

بهره وری در برابر عملکرد اصلی: اضافه کردن عوامل شفا دهنده یا اوراق قرضه پویا می تواند سازش، انتخاب یا قدرت مکانیکی است.
درمان مجدد: سیستم های میکروکپسول معمولاً تک تک استفاده می شوند؛ سیستم های ذاتی می توانند چندین بار بهبود یابند، اما ممکن است پس از چرخه های مکرر، بهره برداری یا کاهش یابند.
هزینه و هزینه: بسیاری از غشای خود شفا از طریق روش های مقیاس آزمایشگاهی تولید می شود (به عنوان مثال، الکترواسپکینگ، لایه به لایه مونتاژ) بزرگ، غشای آزاد و بدون نقص در هزینه کم به چالش می کشد.
شرایط انگیزشی: برخی از مکانیسم های شفا نیاز به محرک های خاص (گرمی، نور UV، تغییر pH) که ممکن است در محیط های عملیاتی در حال توسعه دمای اتاق، بهبود مستقل اولویت است.
ثبات طولانی مدت: عوامل شفابخشی جاسازی شده ممکن است در طول زمان یا خارج از آن، به ویژه در برنامه های کم عمق یا با دمای بالا، کاهش یابد.

چشم انداز آینده

هدف تحقیقات مداوم ایجاد آسیب پذیری بیشتر، پایدار و صرفه جویی در هزینه های خودمحور است. راهنمایی های کلیدی شامل:

پاسخگویی چند جانبه: ، غشاهایی که تحت چندین محرک (به عنوان مثال pH + دما) برای انعطاف پذیری بیشتر در شرایط واقعی جهان بهبود می یابند.
مواد هوشمند با حلقه های بازخورد: [FLT 1] ادغام سنسور هایی که آسیب را تشخیص می دهند و تنها در صورت نیاز، بهبود می یابند.

طرح های بیوشیمیایی: فرموله بافت های زنده با شبکه های عروقی که به طور مداوم عوامل شفا را ارائه می دهند، شبیه به لخته شدن خون.

] منبع پایدار: استفاده از پلیمر های مبتنی بر زیست و عوامل شفابخش تجدید پذیر (به عنوان مثال، روغن های طبیعی، chitosan) برای کاهش ردپای زیست محیطی.

] یادگیری ماشین برای طراحی مواد: مدل های محاسباتی برای پیش بینی ترکیب مطلوب و گرایش های شفا، سرعت بخشیدن به توسعه.

از آنجایی که این تکنولوژی ها بالغ هستند، انتظار می رود که غشای خود شفا بخش در زیرساخت های بحرانی، تصفیه آب، انرژی پاک و نظارت محیط زیست استاندارد شود.این تغییر از مواد منفعل به مواد فعال وعده می دهد که سیستم ها را انعطاف پذیر تر و پایدارتر کنند، کاهش هزینه های اقتصادی و زیست محیطی شکست در حالی که چالش ها باقی مانده است، سرعت نوآوری نشان می دهد که غشای خود شفا نقش فزاینده ای در گسترش زندگی چند بخش عملیاتی ایفا خواهد کرد.