Pada suhu di mana sebagian besar pergerakan molekuler berhenti, kristal organik tertentu memulai proses penyembuhan diri.
Sebuah studi yang dipimpin oleh para peneliti di Universitas Jilin di Tiongkok mengembangkan kristal organik transparan berbentuk lempengan berwarna oranye yang disebut PBDPA. Tidak seperti kebanyakan material yang menjadi rapuh saat suhu turun, kristal PBDPA dapat memperbaiki retakan sendiri pada suhu kriogenik tanpa bantuan eksternal apa pun sambil mendapatkan kembali 99% transparansi optik aslinya.
Proses penyembuhan yang didorong oleh interaksi dipol-dipol itu seperti menutup ritsleting, di mana begitu tekanan mekanis yang menyebabkan retakan dihilangkan, titik-titik di mana kedua permukaan paling dekat mulai sembuh terlebih dahulu. Hal ini menarik daerah-daerah di sekitarnya lebih dekat, memungkinkan molekul untuk menata ulang dan kristal untuk secara bertahap sembuh.
Kristal-kristal tersebut juga dapat memperbaiki retakannya pada suhu ruangan (298 K) maupun pada suhu tinggi (hingga 423 K). Kemampuan untuk memperbaiki diri sendiri dalam rentang suhu yang luas ini dapat menurunkan biaya perawatan dan memperpanjang umur perangkat yang terpapar fluktuasi suhu dingin dan panas ekstrem.
Dingin menghentikan aliran
Material menjadi rentan terhadap kerusakan mekanis ketika terpapar kondisi tekanan dan suhu yang berfluktuasi. Degradasi ini meningkat secara dramatis pada suhu kriogenik atau sangat rendah, di mana pergerakan molekul melambat, dan material menjadi sangat lemah dan rapuh, sehingga secara signifikan mengurangi ketahanannya terhadap kelelahan dan kerusakan.
Peralatan di bidang kedirgantaraan, eksplorasi laut dalam, dan penelitian kutub secara rutin terpapar kondisi ekstrem ini, sehingga mendesain material yang dapat menahan kondisi tersebut dapat mengurangi biaya perbaikan dan penggantian.
Pendekatan menjanjikan yang muncul dari penelitian material adalah material yang dapat memperbaiki diri sendiri, yang mampu pulih dari kerusakan dan mengembalikan sifat aslinya tanpa intervensi eksternal. Meskipun perbaikan diri sendiri telah dipelajari selama bertahun-tahun, sebagian besar kemajuan berfokus pada material lunak seperti polimer dan gel, yang bergantung pada molekul yang “mengalir” untuk mengisi retakan. Namun, pada suhu yang lebih rendah, mekanisme ini gagal berfungsi.
Magnet molekuler kecil mendorong penyembuhan.
Para peneliti dalam studi ini menemukan contoh molekul organik yang terstruktur rapi, seperti kristal, yang juga menunjukkan potensi sebagai material yang dapat memperbaiki diri sendiri, sehingga mereka memutuskan untuk menguji sifat-sifatnya.
Langkah pertama adalah mensintesis kristal PBDPA dengan mencampurkan dua bahan kimia utama: 2,2′-(1,4-fenilena)diacetonitril dan 4-(difenilamino)benzaldehida.
Setelah mendapatkan kristal-kristal tersebut, tim tersebut menimbulkan retakan pada kristal-kristal itu pada berbagai suhu dan mengamati proses penyembuhannya menggunakan mikroskop dengan resolusi skala atom.
Kristal-kristal tersebut menunjukkan dua mode penyembuhan yang berbeda. Ketika celah antara permukaan yang pecah kecil, kristal tersebut langsung menyatu kembali. Ketika celahnya lebih lebar, penyembuhan terjadi lebih lambat melalui proses penyambungan bertahap. Pemetaan listrik mengungkapkan bahwa tindakan perbaikan ini didukung oleh gaya listrik yang kuat antara lapisan molekul kristal.
Dalam kristal PBDPA, setiap molekul bersifat polar, artinya memiliki ujung positif dan ujung negatif, yang menimbulkan fenomena yang dikenal sebagai dipol permanen. Di dalam setiap lapisan kristal, semua molekul mengarah ke arah yang sama, sedangkan molekul di lapisan berikutnya mengarah ke arah yang berlawanan. Susunan bergantian ini menciptakan daya tarik yang kuat antara lapisan-lapisan tersebut, menarik permukaan yang retak kembali menyatu hingga molekul-molekul tersebut tersusun kembali dengan sempurna.
Karena kristal-kristal tersebut tidak bergantung pada aliran molekul untuk mengisi celah dan memperbaiki retakan, mereka menunjukkan kemampuan penyembuhan diri di berbagai rentang suhu—dari kondisi lingkungan sekitar hingga nitrogen cair dan hingga 423 K.
Para peneliti mencatat bahwa hasil ini menunjukkan dengan jelas bahwa material dapat mengatasi keterbatasan alami yang mencegah penyembuhan diri dalam kondisi beku. Menjelajahi material baru dengan perilaku serupa dapat mengarah pada pengembangan sistem yang mampu beroperasi dengan andal untuk jangka waktu yang lama dalam kondisi ekstrem.