Полисилоксановые материалы, такие как эластомеры на основе полидиметилсилоксана (PDMS), проявляют способность к самовосстановлению за счет введения силанолатных (Si-O^-) групп. Эта способность обусловлена их динамическими силоксановыми связями (Si-O-Si), которые могут разрушаться и восстанавливаться для устранения повреждений. Их самовосстанавливающиеся свойства могут сделать их ценными в таких областях, как защитные покрытия для использования в различных областях, таких как оптика, электроника и аэрокосмическая промышленность.

Чтобы улучшить свойства материалов на основе PDMS, они были объединены с неорганическими наполнителями, такими как наночастицы или нанолисты. Как правило, введение нанолистов в полимеры приводит к образованию слоистой структуры, которая обладает превосходными термическими, механическими и газозащитными свойствами. Кроме того, сообщалось об улучшенной способности ориентированных пленок к заживлению трещин. Это улучшение объясняется диффузией полимера, сконцентрированной в направлении плоскости.

Исследователи из Университета Васэда, Япония, добились значительного прогресса в улучшении самовосстанавливающихся силоксановых материалов, разработав более эффективный метод изготовления многослойных пленок. В исследовании, опубликованном 06 января 2025 года в томе 61, выпуск 16, журнала Chemical Communications, команда, возглавляемая профессором Ацуси Симодзимой, с научным сотрудником Йошиаки Миямото и доцентом Такамичи Мацуно, изготовила композитную пленку, состоящую из сильно сшитого органосилоксана (силсесквиоксан) и привитых слоев PDMS, используя процесс самосборки.

"Замена традиционных материалов нашим самовосстанавливающимся материалом, который менее подвержен износу и обладает высокой твердостью, будет пользоваться большим спросом для не требующих технического обслуживания и долговечных применений", - говорит Миямото, ведущий автор исследования.

Исследователи начали с нанесения раствора, содержащего 1,2-бис (триэтоксисилил) этан, Плюроник P123 (триблочный сополимер PEO-PPO-PEO, где PEO означает поли (окись этилена), а PPO означает поли (окись пропилена)), и блок-сополимер PEO-PDMS-PEO на кремниевую подложку. или стеклянную подложку с использованием методов нанесения покрытия методом отжима или капельного литья. В результате этого процесса образовалась тонкая пленка с пластинчатой (слоистой) структурой.

Затем пленку прокаливали на воздухе при температуре 170°C в течение 4 часов, в результате чего были удалены блоки PEO и PPO. В результате этого процесса осталась многослойная структура, состоящая из слоев силсесквиоксана и PDMS.

Для придания пленке свойств самовосстановления были введены Si-O^-группы. Эти группы способствуют перестройке и повторному соединению силоксановых (Si-O-Si) цепей. Для достижения этого пленку погружали в раствор тетрагидрофурана, воды и гидроксида калия (KOH). В этом процессе гидроксидные ионы (OH^-) из KOH удаляют протоны (H⁺) из силанольных групп (Si-OH), превращая их в Si-O^- ионы. Готовая пленка может заделывать трещины микрометрового размера при нагревании до 80 °C при относительной влажности 40% в течение 24 часов.

Пленка продемонстрировала превосходные свойства по сравнению с обычными материалами на основе PDMS. Сшитые органосилоксановые слои обеспечивали большую жесткость и служили барьером против улетучивания циклических силоксанов, устраняя ограничения традиционных материалов PDMS. В то время как обычные самовосстанавливающиеся эластомеры PDMS имеют твердость 49 МПа, конечная самовосстанавливающаяся пленка показала твердость 1,50 ГПа.

"Эта инновационная многослойная конструкция позволяет нашему материалу быть одновременно более твердым и термостойким, чем существующие самовосстанавливающиеся материалы на основе силоксана, что открывает путь к более долговечному и надежному применению", - говорит Миямото.

Благодаря своей высокой твердости и свойствам самовосстановления этот материал хорошо подходит для защитных покрытий, гибкой электроники и других применений, требующих длительной работы.