Nancy Sottos

Nancy Sottos adalah seorang ilmuwan material dan profesor rekayasa asal Amerika. Ia menjabat sebagai Swanlund Endowed Chair dan kepala Departemen Ilmu Material dan Rekayasa di Universitas Illinois di Urbana–Champaign. Ia juga menjadi ketua bersama dalam tema penelitian Nanostruktur Molekuler dan Elektronik di Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Sottos memimpin Kelompok Penelitian Sottos.

Sottos meneliti deformasi dan integritas struktur dan kegagalan material pada skala mesoskopik, mikroskopik, dan nanoskopik, serta memberikan kontribusi penting pada material yang dapat memperbaiki diri sendiri, komposit matriks polimer canggih, dan lapisan tipis. Ia merupakan pelopor dalam bidang material adaptif, menciptakan polimer yang dapat memperbaiki diri sendiri pertama kali bersama Jeffrey S. Moore, Scott R. White, dan lainnya pada tahun 2000.

Pendidikan
Nancy Sottos belajar rekayasa mekanik di Universitas Delaware, meraih gelar B.S. pada tahun 1986 dan Ph.D. pada tahun 1991. Ia juga berpartisipasi dalam tim atletik putri dan aktif di Dewan Pengurus Atletik serta Komisi Status Perempuan.

Karier
Sottos menerima posisi dosen di College of Engineering di Universitas Illinois di Urbana–Champaign pada tahun 1991. Ia merupakan anggota Departemen Mekanika Teoritis dan Terapan, dan kemudian menjabat sebagai kepala sementara departemen tersebut. Pada tahun 2006, ia bergabung dengan Departemen Ilmu Material dan Rekayasa. Ia kemudian diangkat sebagai Profesor Teknik Donald B. Willet dan menjadi University Scholar.

Sottos aktif di dewan redaksi Experimental Mechanics (1999–2006) dan Composites Science and Technology (2002–sekarang). Ia merupakan Fellow dari Society of Engineering Science (2007) dan Society for Experimental Mechanics (2012). Ia menjabat sebagai presiden Society for Experimental Mechanics pada 2014–2015. Pada tahun 2020, ia terpilih sebagai anggota National Academy of Engineering karena kontribusinya dalam desain dan aplikasi material yang dapat memperbaiki diri sendiri dan material multifungsi.

Penelitian

Polimer yang dapat menyembuhkan sendiri
Sottos membantu mengembangkan bahan yang dapat menyembuhkan sendiri berbasis polimer pertama bersama rekan-rekannya, termasuk Jeffrey S. Moore dan Scott R. White. Penelitian ini selesai pada tahun 2000 dan diterbitkan di jurnal Nature pada tahun 2001. Mereka menunjukkan bahwa agen penyembuh yang dimikrokapsulkan dapat berpolimerisasi untuk memperbaiki kerusakan seperti retakan yang lebih kecil dari sehelai rambut manusia.

Pendekatan mereka adalah mengembangkan matriks polimer yang melibatkan agen penyembuh cair reaktif dan katalis. Dalam kondisi normal, keduanya tetap terpisah secara struktural. Agen cair disimpan di dalam reservoir non-reaktif di dalam material, sedangkan katalis tersebar di seluruh polimer. Ketika material mengalami kerusakan dan retakan terjadi, reservoir pecah, dan gaya kapiler menyebabkan agen cair menyebar ke area yang rusak, bereaksi dengan katalis, dan mengeras untuk menutup retakan. Mereka meneliti penggunaan agen penyembuh yang tersimpan dengan katalis yang tersebar, serta agen penyembuh yang tersebar dengan katalis yang tersimpan. Dengan menggunakan dicyclopentadiene (DCPD) dan Katalis Grubbs dalam matriks epoksi, terbentuk polisiklopentadiena yang menutup retakan, memulihkan hingga 75% kekuatan patah aslinya.

Mereka kemudian mengembangkan sistem penyembuhan sendiri tanpa katalis menggunakan mikrokapsul klorobenzena sebagai pelarut aktif. Retakan akan melepaskan pelarut klorobenzena, yang melarutkan kantong monomer epoksi yang belum bereaksi ke dalam retakan. Polimerisasi kemudian terjadi di dalam retakan dan mengisinya. Pengujian sistem ini menunjukkan pemulihan kekuatan hingga 82%.

Kedua pendekatan ini merupakan contoh dari penyembuhan mandiri otonom, di mana mekanisme perbaikan dipicu oleh kerusakan itu sendiri. Material yang dapat memperbaiki diri secara otonom dapat mempertahankan integritas strukturnya saat menerima tekanan dan bertahan lebih lama.

 Jaringan mikrovascular 
Sottos juga meneliti desain jaringan mikrovascular untuk mendistribusikan cairan aktif dalam sistem material otonom. Desain ini memungkinkan material memiliki kemampuan "menyembuhkan diri, beregenerasi, mendeteksi kerusakan, melindungi diri, dan mendinginkan diri", mirip dengan sistem biologis.

Untuk menciptakan material ini, pola tiga dimensi tinta organik dibuat, lalu pori-pori antar pola diisi dengan resin epoksi. Polimer dibiarkan mengeras, lalu tinta dihilangkan. Ruang yang ditinggalkan membentuk jaringan mikrokanal tiga dimensi yang bisa diisi dengan agen penyembuh. Desain ini memungkinkan lebih banyak agen penyembuh tersimpan dalam material yang dihasilkan. Proses pembuatan material ini sangat kompleks.

Pendekatan ini telah diterapkan untuk mendukung penyembuhan berulang pada material komposit yang diperkuat serat. Resin epoksi dan pengeras disimpan dalam jaringan mikrokanal yang saling tumpang tindih. Kerusakan pada jaringan akan menyebabkan agen penyembuh bercampur secara otonom dan berpolimerisasi, sehingga secara efektif merekatkan area yang rusak. Dilaporkan bahwa penyembuhan terjadi hampir 100% efisiensi selama beberapa siklus patah.

Dilaporkan bahwa jaringan mikrovascular dapat mendukung penyembuhan kerusakan berskala besar, hingga 11,2 mm.

Bahan yang Melaporkan Kerusakan Sendiri
Tim yang dipimpin oleh Sottos dan Wenle Li telah mengembangkan bahan struktural polimer yang dapat menunjukkan adanya kerusakan dengan mengubah warna. Bahan pelapor kerusakan sendiri ini dapat berfungsi sebagai sistem peringatan yang berubah warna.

Para peneliti menciptakan polimer yang berisi mikrokapsul resin epoksi dan pewarna pH-sensitif. Kerusakan pada polimer menyebabkan kapsul pecah dan campuran epoksi serta pewarna bereaksi. Reaksi ini menyebabkan warna material berubah dari kuning menjadi merah. Semakin dalam kerusakannya, semakin kuat perubahan warnanya. Indikator visual otonom ini memungkinkan insinyur mendeteksi kerusakan mekanis dan melakukan intervensi sebelum struktur menjadi berbahaya.

 Bahan Pintar 
Sottos terlibat dalam pengembangan bahan polimer aktif secara mekanokimia dan termokimia yang dapat mendeteksi kondisi dirinya sendiri (smart inorganic polymers), yang termasuk dalam bahan pintar. Bahan ini dapat merespons rangsangan tertentu, seperti perubahan gaya atau suhu, yang memicu perubahan sifat pada polimer.

Sensitivitas terhadap Gaya Mekanis
Gaya mekanis dapat menyediakan sumber energi yang digunakan dalam reaksi kimia tertentu. Untuk menciptakan bahan semacam ini, kelompok kimia yang peka terhadap mekanik, disebut mekanofor, dimasukkan ke dalam struktur kimia polimer.

Dalam satu percobaan, para peneliti menggunakan molekul spiropiran untuk mendeteksi tekanan mekanis. Mekanofor spiropiran (SP) terikat secara kovalen ke dalam polimer berbentuk barbel elastis bernama polimetil akrilat (PMA) dan polimer berbentuk manik kecil seperti kaca bernama polimetil metakrilat (PMMA). SP berubah menjadi bentuk merosianin (MC) yang berpendar sebagai respons terhadap tekanan. Arah MC dibandingkan dengan gaya tarik bisa diidentifikasi berdasarkan anisotropi polarisasi fluoresens.

Spiropiran biasanya tidak berwarna, tetapi berubah menjadi merah atau ungu cerah ketika mengalami tekanan. Bahan ini juga dapat berpendar. Para peneliti juga menunjukkan bahwa gaya mekanis dapat memicu respons kimia dalam polimer, mengubah ikatan kovalen. Langkah selanjutnya dalam penelitian ini adalah mengeksplorasi potensi penggunaan reaksi mekanokimia untuk mengaktifkan jalur kimia yang memungkinkan bahan merespons gelombang kejut dengan cara yang menguntungkan, seperti mengubah atau meningkatkan sifat bahan.

Sensitivitas Termal
Area penelitian lain berfokus pada pencegahan thermal runaway dalam baterai litium-ion. Para peneliti melapisi anoda atau lapisan pemisah baterai dengan mikrosfer yang sensitif terhadap panas. Peningkatan suhu menyebabkan mikrosfer meleleh, menghentikan transmisi ion litium dan mematikan baterai. Mikrosfer yang terbuat dari polietilena dan parafin telah diuji pada baterai Li-ion tipe CR2032 dan menunjukkan baterai dapat beroperasi dengan baik pada suhu normal serta mati pada suhu yang lebih rendah dari suhu yang dapat merusak pemisah baterai.

 Lapisan Tipis 
Sottos juga terlibat dalam penelitian mengenai lapisan tipis, serta teknik pengukuran untuk mengukur energi antarmuka dinamis pada adhesi dalam lapisan tipis multisel.

Penghargaan
Sottos telah menerima berbagai penghargaan atas pengajaran dan penelitiannya. Penghargaan tersebut meliputi:
 Presidential Citation for Outstanding Achievement dari Universitas Delaware (2002)
 Penghargaan Hetényi dari Society for Experimental Mechanics (2004) untuk J. Wang, R. L. Weaver, N. R. Sottos, "A parametric study of laser induced thin film spallation" Experimental Mechanics 42, no. 1 (2002): 74–83.
 Penghargaan Hetényi dari Society for Experimental Mechanics (2016) untuk E.M.C. Jones, M.N. Silberstein, S.R. White, N.R. Sottos, "In Situ Measurements of Strains in Composite Battery Electrodes during Electrochemical Cycling" Experimental Mechanics 54, no. 6 (2014): 971–985.
 Penghargaan SciAm 50 dari Scientific American (2008)
 Penghargaan M.M. Frocht dan B.J. Lazan dari Society for Experimental Mechanics (2011)
 Penghargaan Tau Beta Pi Daniel C. Drucker Eminent Faculty Award (2014)
 Penghargaan C.E. Taylor dari Society for Experimental Mechanics (2020)
 Anggota National Academy of Engineering (2020)
 Penghargaan dan kuliah W.M. Murray dari Society for Experimental Mechanics (2021)
 Anggota American Academy of Arts and Sciences (2022)
 Anggota National Academy of Sciences (2022)

Budaya
Bahan self-healing yang dibuat oleh Sottos dan peneliti lain di Beckman Institute dimasukkan dalam pameran Science Storms di Museum Sains dan Industri di Chicago pada tahun 2010.

Referensi